Динамика почвенных газов и влияние почвы на газовый состав атмосферы

Таблица 2.2. – Содержание СО2 (% от объема) в почвенном воздухе черноземов Молдавии, почвах Московской области, Республики Карелия [6]Тип почвыГлубина, см203550100150>150Карбонатный чернозем0,570,570,570,730,74Обыкновенный чернозем0,540,780,820,93Ксерофитный чернозем, пашня0,530,700,801,161,54Ксерофитный чернозем, поляна0,310,850,991,321,55Ксерофитный чернозем, лес1,141,381,482,062,10Окончание таблицы 2.2.Серая лесная суглинистая 2,002,402,222,40Дерновоподзолистая лес 0,310,821,561,801,613,78Дерновоподзолистая озимая рожь0,260,680,901,061,052,30Дерновоподзолистая травы 1-го года0,621,271,371,081,181,64Дерновоподзолистая вико-овсяный пар0,410,670,88Подзолистая, суглинистая1,211,841,311,191,921,50Подводя итоги, можно сказать, что состав почвенных газов подвержен значительным изменениям, которые имеют суточный, сезонный характер, зависят от большого числа факторов. 2.2. Факторы, определяющие динамику газового состава почвДинамика газового состава почвы связана с такими процессами как:Продуцирование газов почвенной биотой.Газоперенос.Газообмен с атмосферой (дыхание).Почвенная биота – это совокупность растений, животных, микроорганизмов, которые обитают в почве. Они активно потребляют и выделяют газообразные вещества, что делает их одними из участников процессов газообмена между почвой и атмосферой.Большое значение динамического изменения газового состава почв имеет перенос газов. Основные механизмы такого переноса – это конвекция (массовый поток), диффузия (поток за счет градиента концентрации). Конвекция – это процесс переноса почвенных газов с массовыми потоками воды и воздуха. Его действующей силой является падение пневматического давления, капиллярного и гравитационного давления влаги. Для описания данного процесса применяется уравнение Дарси или Ричардса: = , где – конвективный поток газов, происходящий под действием градиента пневматического давления ();Ка – воздупроницаемость почвы;Са – концентрация соответствующего газа в движущемся воздухе;η - динамическая вязкость воздуха.Среди причин, которые предопределяют изменение процессов переноса газов можно выделить:Изменение атмосферного давления.Возникновение временного перепада за счет порывов ветра, неровностей поверхности.Выпадение осадков, орошение, которое приводит к вытеснению почвенного воздуха из порового пространства почвы.Изменение температуры почвы, которое приводит к расширению или сужению воздуха в почве.Под диффузией понимается процесс, возникающий вследствие градиента концентрации газа . Процесс описывается уравнение Фика: = DС, где – диффузионный поток газов;D – эффективный коэффициент диффузии;С – площадь, через которую происходит диффузия;t – время диффузии. Ведущим факторов, определяющим динамику газовой фазы почвы является газообмен с атмосферой (дыхание). Под дыханием почв понимается поглощение кислорода с выделением углекислого газа. Процесс этот отражает биологические ритмы, он связан с почвенной биотой. Эмиссия СО2 определяется частотой процессов дыхания. Количественной характеристикой процесса дыхания является респираторный коэффициент, который рассчитывается как отношение выделенного из почвы СО2 к поступившему в почву количеству О2 за определенный промежуток времени. Если коэффициент равен или приблизительно равен 1, то в почве отмечается хорошая аэрация. В летние месяцы данный коэффициент даже в хорошо аэрированных почвах повышается за счет дыхательной активности почвенной биоты [8].Факторами, которые регулируют скорость, направленность и объем воздухообмена можно назвать:Изменения температуры почвы и атмосферы. Так, снижение температуры сопровождается сжатием газов, ее повышение – расширением газов. Поэтому понижение температуры почвы приводит к поступлению в нее новых порций воздуха, а при повышении – обратный ток воздуха вместе. Указанные процессы имеют суточный ритм, охватывают только верхние горизонты, где отмечается наиболее значительное колебание температуры. Изменения влажности почвы. При увлажнении почвы в ее поры поступает вода, заполняя их и вытесняя воздух. При пересыхании почвы поры освобождаются и воздух лучше поступает в почву.Изменение барометрического давления. Данный фактор приводит к смене направления потока воздуха, имеет значение при существенном падении барометрического давления.Ветер играет небольшую роль, обусловленную изменением поверхности градиента атмосферного давления.Указанные процессы значимы, но наибольший вес имеет процесс диффузии газов, рассмотренный ранее. Так, в таблице 2.3. показана зависимость отвода углекислого газа из почвы по причине диффузии (л/м3 в сутки) в зависимости от градиента концентрации газа и пористости почв (Р = 700 мм.рт.ст., t=250С) [5].Таблица 2.3. Зависимость отвода углекислого газа из почвы по причине диффузии (л/м3 в сутки) в зависимости от градиента концентрации газа и пористости почв (Р = 700 мм.рт.ст., t=250С) (по Б. Кину) [5]Градиент СО2, % на 1 смПористость почвы, % от объема20304050600,021,32,95,38,111,40,042,55,910,216,123,00,085,111,520,531,946,50,127,717,430,750,568,20,1610,223,040,965,093,00,2012,728,852,780,6114,40,4025,458,7102,0161,0229,1Можно видеть, что скорость процессов диффузии зависит от градиента концентрации, пористости почвы, ее влажности. Выделение СО2 в атмосферу для почв, имеющих одну пористость, растет прямо пропорционально градиенту концентрации. Количество выделяемого газа составляет от 1 до десятков литров СО2 на м2 площади в сутки. При условии одного уровня градиента концентрации и роста пористости, выделение СО2 увеличивается в большей степени, чем это следует из коэффициента пропорциональности. Так, рост пористости в 3 раза приводит к девятикратному увеличению выделения СО2. Коэффициент диффузии изменяется и при изменении содержания в почве влаги (при соответственном уменьшении пористости) [5]. В почвенном слое мощностью в 1 м может содержаться до 20-100 кг/га СО2. В таблице 2.4. можно видеть как отличается выделение СО2 для разных почв в течение вегетационного периода.Таблица 2.4. – Выделение СО2 (кг/га/час) в атмосферу в течение вегетационного периода [6]Экосистема, почваСО2 (среднее значение)Травянистая тундра, торфяная2,7Окончание таблицы 2.4.Сосновый бор, песчаная подзолистая1,3Ельник сложный, бурая поверхностно-глеевая2,0-8,1Дубово-сосновый лес, дерновая суглинистая1,0-6,3Лес из тюльпанового дерева, бурая лесная0,7-8,8Низкотравная прерия, глинистый бурый чернозем1,0-26,0Типчаково-птилагростиевая полупустыня, высокогорная бурая пустынная0,1-2,2Холодная пустырниковая пустыня, каменистая серо-бурая0,03-1,0Пальмовая саванна, дерновая2,7Тропический вечнозеленый лес, герониевый, желтозем1,3-6,7Дождевой тропический лес, краснозем5,0-15,0Лиственничник травяный, вулканическая грубогумусная0,6-5,6Дубо-ельник волосистоосоковый, дерново-подзолистая1,5-12,2Залежь, чернозем карбонатный0,6-4,3Залежь, чернозем обыкновенный0,6-4,9Пашня, чернозем ксерофитно-лесной1,16-4,62Поляна в дубовом лесу, чернозем ксерофитно-лесной1,9-5,8Пашня, чернозем предкавказский2,4-14,1Тайга, торфяная4,0-12,0Исходя из таблицы, наибольшее количество СО2 выделяется в глинистых бурых черноземах низкотравных прерий, красноземах дождевых лесов, черноземах пашен предкавказья. Т.е. наибольшее выделение происходит в наиболее плодородных почвах.СО2 – это не единственный, хотя и наиболее массовый, из выделяемых газов. Другим газом является аммиак. Он преимущественно выделяется на влажных кислых почвах (подзолистые, дерново-подзолистые). Потери азота из-за выделения NH3 в вегетационный период составляет от 4 кг/га в паровом поле до 8,8 кг/га в поле, удобренном 300 кг/г мочевины. В дневное время на свету все почвы выделяют двуокись азота. Примерные объемы выделяемых газов в разных условиях можно увидеть в таблице 2.5.Таблица 2.5. – Выделение газов их дерново-подзолистых почв при внесении удобрения (г/га/ час) (по Б.Н. Макарову, 1988) [5].ГазБез удобренияNаммNнитрNмочевИзвесть + NаммИзвесть + NмочевNH30,3-0,83,04,73,8NO20,30,40,61,01,11,5Еще одним газом, поступающим в атмосферу из почву является сероводород. Он образуется в результате деятельности микроорганизмов в условиях переувлажненных почв. Сероводород продуцируется в почве при восстановлении сульфатов, а также при разложении органических соединений. В год это около 58 – 110 · 106 т серы ежегодно [5].Таким образом, почва существенно влияет на состав атмосферы, выделяя в нее углекислый газ, сероводород, аммиак, оксиды азота, ряд других малых газов.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате проделанной работы был проведен анализ литературных данных по проблеме динамики почвенных газов и влияния почвы на газовый состав атмосферы. В результате можно сделать ряд выводов:Почва – это сложная система, которая имеет ряд свойств, среди которых поглотительная способность почв, кислотность и щелочность почв, физические свойства почв, водно-воздушные свойства почв, воздушно-физические свойства почв, теплофизические свойства почв, физико-механические свойства почв. Воздушно-физические свойства почв – важнейшая их характеристика. Сюда прежде всего относятся воздухоемкость почв, воздухопроницаемость почв, аэрация почв.Динамика воздушно-физических свойств почв имеет циклический характер и зависит от температуры, барометрического давления, влажности почвы, времени года. Воздушно-физические свойства почв оказывают большое влияние на атмосферу за счет поступления в нее углекислого газа, ряда малых газов.Таким образом, цель и задачи работы достигнуты.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВАпарин Б.Ф. Почвоведение: Учебник для образовательных учреждений среднего проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2012. – 256 с.Белобров В.П. География почв с основами почвоведения: Учебное пособие для студ. пед. вузов/ В.П. Белобров, И.В. Замотаев, С.В. Овечкин: под ред. В.П. Белоброва. – М.: Издательский центра Академия, 2004. – 352 с.Боме Н.А., Рябикова В.Л. Почвоведение (краткий курс и лабораторный практикум): учебное пособие.- Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2012. – 216 с.Вальков В.Ф. Почвоведение: учебник для бакалавров/ В.Ф. Вальков, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников. – 4- изд., перераб. и доп. – М.: Издательство Юрайт, 2014. – 527 с.Геннадиев А.Г. География почв с основами почвоведения: Учебник/ А.Н. Геннадиев, М.А. Глазовская. – М.: Высш.шк., 2005. – 461 с.Карпачевский Л.О. Динамика свойств почвы. – М.: ГЕОС, 1997. – 170 с.Ковриго В.П., Кайричев И.С., Бурлакова Л.М. Почвоведение с основами геологии. – М.: Колос, 2000. – 416 с.Козлов А.А. Физика почв. Ч.1. Лекционный курс: учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИГУ, 2012. – 217 с.Почвоведение. Учебник по специальности 250202 «Лесное и лесопарковое хозяйство» для среднего и профессионального образования. Под общей редакцией Рожкова В.А. – М.: Издательский дом «Лесная промышленность», 2006. – 272 с.Почвоведение: Учеб. для ун-тов. В 2 ч./ под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. Ч.1. Почвы и почвообрбазование/ Г.Д. Белицина, В.Д. Васильевская, Л.А. Гришина и др. – М.: Высш. школа, 1988. – 400 с.Почвоведение: учебник для вузов/ А.В. Хабаров, А.А. Яскин, В.А. Хабаров. – М.: КолосС, 2007. – 311 с.