Тема 10 Ґрунтове повітря і повітряний режим ґрунтів

Ґрунтове повітря або газова фаза - найважливіша складова частина ґрунту, що знаходиться в тісній взаємодії з твердою, рідкою і живою фазами ґрунту.

Ґрунтовим повітрям називається суміш газів і летучих органічних сполук, що заповнюють пори ґрунту, вільні від води. Наявність достатньої кількості повітря, його сприятливий склад не менш важливі в житті ґрунту і формуванні рослин, ніж забезпеченість ґрунтів водою і живильними речовинами.

Головні джерела газової фази ґрунту - атмосферне повітря і гази, що утворюються в самому ґрунті. З атмосферним повітрям у ґрунт надходить кисень, необхідний для дихання коренів рослин, ґрунтової фауни й аеробних мікроорганізмів. У процесі дихання кисень споживається з виділенням вуглекислого газу.

Більшість рослин не може існувати без постійного припливу кисню до коренів і виводу вуглекислого газу з ґрунту. Якщо ґрунт цілком ізолювати від атмосфери, то кисень у ньому витратиться цілком через декілька діб. Отже, ґрунтове повітря забезпечує живі організми киснем тільки за умови постійного обміну з атмосферним повітрям. Процес обміну ґрунтового повітря з атмосферним називають газообміном або аерацією..

Аерація ґрунту - найважливіший чинник, що визначає продуктивність ґрунту.

10.1 Стан ґрунтового повітря

Ґрунтове повітря знаходиться в ґрунті в трьох станах: вільному, адсорбованому і розчиненому.

Вільне ґрунтове повітря розміщається в некапілярних і капілярних порах ґрунту, має рухливість, здатне вільно переміщатися в ґрунті й обмінюватися з атмосферним. Найбільше значення в аерації ґрунтів має повітря некапілярних пір, практично завжди вільних від води.

У суглинкових і глинистих ґрунтах частина вільного ґрунтового повітря при зволоженні ізолюється пробками води і втрачає суцільність. Таке повітря називають защемленим, його значення в аерації невелике.

Адсорбоване ґрунтове повітря - гази, які сорбовані поверхнею твердої фази ґрунту. Адсорбція газів сильніше проявляється в ґрунтах важкого механічного складу, багатих органічною речовиною. Гази адсорбуються в залежності від будови їхніх молекул, дипольного моменту в такій послідовності: N₂ < O₂ < CO₂ < NH₃.

Найбільша кількість адсорбованого повітря характерна для сухих ґрунтів, тому що тверді частки ґрунту активніше поглинають пари води, ніж гази.

Розчинене ґрунтове повітря - гази, розчинені в ґрунтовій воді. Розчинність газів у ґрунтовій воді зростає з підвищенням їхньої концентрації у вільному ґрунтовому повітрі, а також із зниженням температури ґрунту. Добре розчиняються у воді NН₃, Н₂S, СО₂. Розчинність О₂ порівняно невелика.

Розчинені гази виявляють високу активність. З насиченням ґрунтового розчину СО₂ підвищується розчинність карбонатів, гіпсу й інших мінеральних сполук. Розчинений кисень підтримує окисні властивості ґрунтового розчину.

10.2 Склад вільного ґрунтового повітря

Вільне ґрунтове повітря, незважаючи на його постійний зв'язок з атмосферним, характеризується рядом особливостей.

Склад атмосферного повітря досить постійний, і вміст його основних компонентів змінюється незначно. В атмосферному повітрі міститься в об'ємних відсотках: 78,08 азоту (N₂), 20,95 кисню (О₂), 0,93 аргону (Аr), 0,03 вуглекислого газу (СО₂).

Ґрунтове повітря відрізняється динамічністю. Найбільше динамічні в ґрунтовому повітрі О₂ і СО₂. Їхній вміст в ґрунтах сильно коливається відповідно до інтенсивності споживання кисню і продукції вуглекислого газу, а також швидкості газообміну між ґрунтом і атмосферою. У ґрунтовому повітрі може утримуватися СО₂ у десятки і сотні разів більше, ніж в атмосферному повітрі, а концентрація кисню може знизиться з 20,9 до 15-10% і нижче.

У ґрунтах, які мають гарну аерацію і сприятливі фізичні властивості, вміст СО₂ у ґрунтовому повітрі не перевищує 1-2%, а вміст О₂ не буває нижче 18%. За умов перезволоження в ґрунтах важкого механічного складу вміст СО₂ може досягти 4-6% і більш, а О₂ падає до 17-15% і нижче. У заболочених ґрунтах спостерігаються ще більш високі концентрації СО₂ і низькі О₂.

Азот ґрунтового повітря мало відрізняється від атмосферного. Деякі зміни в утриманні азоту відбуваються в результаті зв'язування його бульбочковими бактеріями, прояву денітрифікації. У ґрунтовому повітрі виявляється й інший характерний продукт денітрифікації - закис азоту (N₂О).

У ґрунтовому повітрі в невеликій кількості (10^-9 – 10^-12%) постійно присутні леткі органічні сполуки різноманітної природи (етилен, метан і ін.). З погіршенням аерації ґрунтів у ґрунтовому повітрі етилен накопичується в концентраціях, що перевищують рівень токсичності для коренів рослин (0,001%). У ґрунтовому повітрі заболочених і болотних ґрунтів можуть знаходиться в помітних кількостях аміак, водень, метан.

Ґрунтове повітря неоднорідне за складом і рухливістю, що обумовлюється різноманітністю розмірів пір в ґрунтах. У більш великих порах повітря більш рухливе, менше збагачене СО₂, більше містить О₂.

Основними споживачами кисню в ґрунті є корені рослин, аеробні мікроорганізми і ґрунтова фауна і лише незначна частина його витрачається на чисто хімічні процеси.

В умовах гарної аерації ґрунтів при поглинанні кисню виділяється еквівалентна або декілька менша кількість СО₂ і коефіцієнт дихання (відношення СО₂, що виділився, до поглиненого О₂) близький до одиниці. Для ґрунтів з утрудненим газообміном коефіцієнт дихання більше одиниці, тому що в таких ґрунтах виникає велика кількість анаеробних мікрозон, де продукується СО₂ без поглинання кисню.

Кількість кисню, споживаного рослинами, залежить від їхніх біологічних особливостей, фази розвитку, умов середовища (t, вологість, живильні речовини і т.ін.). При збільшенні температури ґрунту з 5 до 30°С інтенсивність поглинання О₂ і виділення СО₂ зростає в 10 разів. Влітку ґрунти поглинають і виділяють СО₂ у декілька разів більше, ніж провесною і пізньої восени.

Кисень надходить у ґрунт з атмосфери дифузіонно, з осадками і зрошувальною водою, по повітряноносних тканинах рослин. Прямий вплив кисню на рослини виявляється в актах дихання. При відсутності вільного кисню в ґрунті розвиток рослин припиняється.

Непрямий вплив кисню на продуктивність рослин виражається в його впливі на ґрунт. При нестачі О₂ у ґрунті розвиваються анаеробні процеси з утворенням токсичних для рослин сполук, знижується вміст доступних живильних речовин, погіршуються фізичні властивості, все це в сукупності впливає на ріст рослин. Анаеробні процеси починають розвиватися при вмісті кисню менше 2,5-5%. При низькій температурі (0-4°С) або низькій вологості (близької до вологості зав’ядання), коли біологічні процеси сильно пригнічені, розвиток аеробних процесів можливий навіть при вмісті О₂ 0,5%.

Вуглекислий газ з’являється в ґрунті головним чином завдяки біологічним процесам. Частково він може надходити в ґрунтове повітря з ґрунтових вод, а також у результаті його десорбції з твердої і рідкої фаз Ґрунту. Деяка кількість СО₂ може виникати при перетворенні бікарбонатів у карбонати під час випаровуванні ґрунтових розчинів і в процесі впливу кислот на карбонати ґрунту, а також хімічного окислювання органічної речовини.

Висока концентрація СО₂ у ґрунтовому повітрі (більш 2-3%) пригнічує розвиток рослин.

Виділення СО₂ із ґрунту в приземний прошарок атмосфери прийнято називати диханням ґрунту. СО₂, який надходить із ґрунту, споживається рослинами в процесі фотосинтезу. Інтенсивність дихання ґрунту залежить від його властивостей, гідротермічних умов, характеру рослинності й ін. Виділення СО₂ ґрунтом посилюється при його окультуренні в зв'язку з активізацією біологічних процесів і поліпшенням умов аерації. Таким чином, інтенсивність дихання - важлива характеристика газообміну й активності біологічних процесів у ґрунті.