Аэрофизика – газообразная фаза почв Тема: Воздушные свойства почв и воздушный режим l Литература: Розанов Б. Г. , Почвоведение М. : Высшая школа, 1988. – 400 с. Исаак Борисович Ревут. Физика в земледелии Государственное издательство физико-математической литературы. М. , 1960. l С. В. Першин, А. Ф. Чудновский. Физика почв. М. , 1967. – С. 584. l Анатолий Данилович Воронин. Основы физики почв. М. , 1986. – С. 244. l l l l План: 1. Формы почвенного воздуха 2. Состав почвенного воздуха 3. Газообмен почвенного воздуха и атмосферного 4. Воздушные свойства почв 5. Регулирование воздушного режима.
Круговорот кислорода и углерода в природе
Капиллярная пористость и пористость аэрации КП – капиллярная пористость; АП – пористость аэрации; ТФ – твердая фаза
Сравнительные объемы компонентов почвы в типичном горизонте А при максимально благоприятном содержании воды
l Первые сведения о составе почвенного воздуха были получены в 1824 г. Французским ученым Ж. Буссенго. Важные работы по изучению почвенного воздуха были выполнены в первой четверти 20 столетия А. Г. Дояренко, Б. Кином, Э. Росселоми др. ими были сформулированы основные положения теории
Вопрос 1. Формы почвенного воздуха § Воздушная фаза – важная и наиболее мобильная составная часть почвы. Оптимальными условиями для роста и развития культурных растений считаются условия когда на долю воздушного пространства приходится 25% фазового состояния почвы. § Почвенный воздух – важнейшая составная часть почвы, один из факторов жизни растений. § Почвенный воздух определяет биологические и биохимические ритмы в целом почвообразовательный процесс оказывает существенное влияние на рост и развитие растений, микроорганизмов, растворимость и миграцию химических соединений в почве и многое другое § Роль почвенного воздуха в жизни растений также велика как и атмосферного в жизни человека.
Газы и летучие органические соединения находятся в почве в таких физических состояниях (формах) как l свободный, собственный почвенный воздух; l защемленный почвенный воздух; l адсорбированный почвенный воздух; l растворенный почвенный воздух.
Свободный, собственный почвенный воздух l Смесь газов и летучих органических соединений свободно перемещающихся по системам почвенных пор и сообщающихся с атмосферным воздухом. l Свободный почвенный воздух обеспечивает аэрацию почв и газообмен между почвой и атмосферой.
Обмен атмосферного и почвенного воздуха (собственный почвенный воздух)
Защемленный почвенный воздух Воздух находящийся в порах со всех сторон изолированный водными пробками. l В суглинистых почвах содержание защемленного воздуха может составлять 12% и более от общего объема почвы или более четверти всего порового пространства. l Защемленный почвенный воздух неподвижен, не участвует в газообмене между почвой и атмосферой, препятствует фильтрации воды в почве и при увеличении градиента напора воды и других факторов (изменение температуры, физического воздействия, атмосферного давления и др. ) может разрушать структуру почвы. l
Схема нахождения в почве защемленного почвенного воздуха
Адсорбированный почвенный воздух l l l это воздух в котором газы и летучие органические соединения адсорбированы элементарными почвенными частицами на их поверхности. Дисперсная почва содержит больше адсорбированных газов. Количество сорбированного воздуха зависит от минералогического состава, содержания органического вещества и влажности почвы. Песок поглощает воздух (0, 75 0, 20 см 3/г) в 10 раз меньше, чем тяжелая глина (6, 99 0, 08 см 3/г). Кварц сорбирует СО 2 в 100 раз меньше, чем гумус. Газы в зависимости от их свойств адсорбируются в такой последовательности: N 2 <O 2 <CO 2<NH 3
Схема нахождения в почве адсорбированного воздуха
Растворенный воздух это почвенный воздух растворенный в воде. l Растворенный воздух оказывает большое влияние на физиологическое потребление растениями, микроорганизмами, почвенной фауной - кислорода. l Растворенный воздух ограниченно участвует в аэрации почв, так как диффузия газов в водной среде затруднена. Несмотря на то, что растворенного воздуха в почве очень мало его роль довольно велика. Допустим для такой культуры как рис, растворенный воздух является основным источником снабжения корневой системы кислородом. l Растворенный воздух оказывает влияние на физикохимические процессы, способствует физиологическому изменению растений и микроорганизмов. l
Твердая, жидкая, газообразная и живая фазы почв –тесно связаны между собой и находятся в сложном взаимодействии. l Процессы сорбции – десорбции, растворения – дегазации в условиях изменяющихся концентраций газов, температуры, давления, влажности протекает постепенно. l Система находится в состоянии подвижного равновесия, определяемого изменчивостью термодинамических условий и биологической активностью. l Благодаря этим явлениям почвенный воздух, раствор и поглощающий комплекс почвы образует взаимосвязанную систему и создают свойственную почвам буферность. l
Вопрос 2. Состав почвенного воздуха n n В верхних горизонтах хорошо дренированных почвах состав почвенного воздуха близок к составу атмосферного, поскольку расходуемый в почве кислород быстро перемещается из атмосферы в почву. В нижних горизонтах и не дренированных почвах состав почвенного воздуха существенного отличается от атмосферного.
Атмосферный воздух Представляет собой смесь газов основную массу которых составляют: l Азот; Кислород; Аргон; Углекислый газ l На долю остальных газов приходится всего лишь 0, 01 объема. l По мнению В. И. Вернадского состав земной атмосферы имеет довольно постоянные количественные значения причем его изменения в основном обусловлены газообменом между почвой, а в настоящее время на качественную сторону атмосферного воздуха оказывает большое влияние человек. l
Состав воздуха, % Газы Атмосферный Почвенный Азот (N 2) 78, 08 -80, 24 Кислород (О 2) 20, 95 20, 9 -0, 0 Аргон (Ar) 0, 93 0 Углекислый газ (СО 2) 0, 03 -20, 0 Все остальные газы 0, 01 -1, 0
Почвенный воздух l Это смесь газов и летучих соединений заполняющих поровое пространство почвы свободное от воды. l Почвенный воздух представляет собой смесь макрогазов и микрогазов Макрогазы представлены азотом, кислородом, углекислым газом. l Микрогазы в зависимости от процесса почвообразования представлены метаном, этаном, сероводородом, ацетиленом, этиленом и др. l
Макрогазы почвенного воздуха Азот (N) его содержание в почве > 80% l - является одним из основных компонентов почвенного воздуха, его содержание отличается от атмосферного. В почвоведении наибольший интерес представляет динамика сопутствующих азоту микрогазов, таких как N 2 O, NO 2. l Диоксид азота является промежуточным продуктом процесса денитрификации. Этот процесс может способствовать обеспечению растений азотным питанием. l Существует мнение, что оксид азота может оказывать влияние на озонный слой Земли. l
Кислород (О 2) > 20% l l l Роль кислорода в жизнедеятельности биосферы и почвы велика. Кислород обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхание корней растений, почвенной флоры и фауны. Оптимальное содержание в почве кислорода обеспечивает развитие аэробных процессов окисления. Дефицит кислорода угнетает развитие корневой системы растений, может вызывать гибель растений, провоцировать развитие болезнетворных микроорганизмов, полный анаэробный почвенный процесс начинается при содержании кислорода < 2, 5%. При длительном сохранении концентрации кислорода от 10 до 15% угнетается рост и развитие воздухолюбивых культур. Оптимальными условиями для развития растений считается условие когда содержание кислорода > 15%.
Углекислый газ (СО 2) от 0, 03 до 20% l l l Процессы дыхания, гниения, разложения и др. сопровождаются выделением углекислого газа, существует мнение, что на 90% углекислый газ атмосферы имеет почвенное происхождение. Концентрация СО 2 в интервалах от 0, 3 до 3% является оптимальной для роста и развития культурных растений. Избыток СО 2 в почвенном воздухе > 3% угнетает рост и развитие растений, замедляет обменные процессы, сокращает интенсивность поступления воды в растительные клетки. Установлено, что до 70% всего количества углекислого газа пошедшего на создание урожая доставляется растениям из почвы в процессе его дыхания. Углекислый газ может оказывать влияние и на химические изменения минеральной части почвы. Установлено, что почвенный раствор насыщенный углекислым газом оказывает растворяющее действие на многие соединения почвы в частности на кальцит (Са. СО 3), доломит (Са. СО 3 · Mg. CO 3), магнезит (Mg. CO 3), сидерит (Fe. CO 3).
Микрогазы это газы присутствующие в почве в малых количествах в зависимости от направленности процесса почвообразования в почве могут присутствовать такие компоненты газов как этилен, ацетилен, водород, сероводород, аммиак и др. l Происхождение микрогазов в профиле почв связывают с непосредственным метаболизмом развивающихся микроорганизмов l В пахотных горизонтах происхождение микрогазов связывают с реакцией разложения новообразовании и органических веществ почвы, применяемых удобрений и гербицидов и другое. l Установлено что концентрация микрогазов и летучих компонентов в почве не превышает 1· 10 -12%. Такое количество микрогазов вполне достаточно для ингибирующего действия на почвенную микрофлору и снижения биологической активности почв. l
Содержание в различных почвах углекислого газа и кислорода Почва Иловато-болотная Торфяно-глеевая Дерново-подзолистая Серая лесная Чернозем обыкновенный Чернозем южный Каштановая О 2, % СО 2, % 11, 9 -19, 4 13, 5 -19, 5 18, 9 -20, 4 19, 2 -21, 0 19, 5 -20, 8 19, 5 -20, 9 19, 8 -20, 9 1, 1 -8, 1 0, 8 -4, 5 0, 2 -1, 0 0, 2 -0, 6 0, 3 -0, 8 0, 05 -0, 6 0, 05 -0, 5
Различную концентрацию кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе можно объяснить двумя группами противоположно-направленных процессов: l l l 1. Потребление кислорода, населяющими почву растениями и организмами. 2. Газообмен кислорода между почвенным и атмосферным воздухом. Процесс потребляя кислорода и образования СО 2 связан с процессами дыхания различных организмов и растений, живущих в почве. Образующаяся при дыхании энергия используется при поглощении веществ растениями, при прорастании семян, передвижение веществ в растениях и других физиологических процессах. Корни растений и живые организмы расходуют О 2 и небольшая его часть идет на химические процессы окисления. По литературным данным пахотные почвы в зависимости от содержания гумуса, влажности почвы, температуры поглощают от 0, 5 до 3 мл О 2 на 1 кг сухой почвы за 1 час. Лесная подстилка может поглощать кислород О 2 - > 400 мл/кг 1 час.
Полным анаэробным процессом в почве считается процесс при содержании кислорода в почве до 2, 5 %. l l l Однако, длительное сохранение концентрации кислорода от 10 до 15 % угнетает развитие воздухолюбивых культур. В процессах характеризующихся нормальным кислородным дыханием происходит эквивалентный обмен О 2 на СО 2. Отношение кислорода к углекислому газу называется коэффициентом дыхания. Если это отношение равно 1 следовательно газообмен происходит нормально. Для почв с прочим газообменом это отношение > 1, т. е. протекают анаэробные процессы. Часть СО 2 может связываться химически с образованием гидрокарбонатов. Этот процесс получил название ретенция Ретенция зависит от реакции среды при р. Н < 5 она не происходит. В щелочном интервале действует очень интенсивно, поэтому для почв засоленного ряда коэффициент дыхания очень невысокий равен 0, 16 -0, 35.
Процесс трансформации атмосферного воздуха в почве зависит: l l l – интенсивности поглощения кислорода почвой из атмосферы SO 2; – концентрация кислорода в почвенном воздухе CO 2; – структурно агрегатного состояния почвы С; – температура почвы T; – влажность почвы W; – содержание в почве корней R; – дыхание почвенных организмов D; – активность почвенных микроорганизмов M; – содержание органического вещества в почве H Такое влияние перечисленных факторов на трансформацию атмосферного воздуха можно выразить следующей функцией SO 2 = F (CO 2, С, T, W, R, D, M, H …),
Вопрос 3. Газообмен (воздухообмен) почвы с атмосферой n n Процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным называют газообменом (воздухообменом). Газообмен нередко называют и аэрацией. Под аэрацией следует понимать процесс при котором происходит замещение почвенного воздуха воздухом приземного слоя атмосферы. В хорошо аэрируемых почвах почвенный воздух легко замещается атмосферным и поэтому близок по составу к атмосферному (СО 2 – 0, 03% и около 21% О 2 к объему почвы). В плохо аэрируемых почвах объемный процент СО 2 повышается в 100 и более раз при соответствующем снижении содержания кислорода.
Обмен газами между почвой и атмосферой происходит за счет: l. Конвекции l. Диффузии
Конвекция - перенос газов в почве вызванный полным давлением газа из зоны более высокого давления в зону с более низким. l Эти потоки возникают под действием градиентов соответствующих давлений: почвенный воздух – под действием градиента пневматического давления; почвенный раствор – под действием преимущественно капиллярносорбционного и гравитационного давления почвенной влаги. l
Разность между давлениями почвенного и атмосферного воздуха вызвана рядом причин: l l l Изменением барометрического давления в атмосфере; Порывом ветра над поверхностью почвы, приводящее к изменению давления в атмосферном воздухе; Температурный градиент; Проникновение воды в почву во время инфильтрации; Колебание уровня грунтовых вод, который способствует выталкиванию воздуха вверх, или засасывания вниз; Обработки почв, связанные с уплотнением или рыхлением.
Конвективный перенос воздуха в почве практически аналогичен переносу воды Сходство состоит в том, что перенос обеих текучих сред вызывается градиентом давления и пропорционален ему. l Различия заключаются в том, что вода в меньшей степени подвержена сжатию по сравнению с воздухом и поэтому его плотность и вязкость в большей степени зависит от давления. l Вода активней взаимодействует с поверхностью элементарных почвенных частиц (она является смачивающей жидкостью), в результате чего она всасывается в узкие поры, поэтому в ненасыщенном водой состоянии воздух занимает более крупные поры. Следовательно, эти две текучие среды – вода и воздух занимают различные части порового пространства. l
Диффузия – лат. Diffusio распространение движение частиц за счет их разной концентрации в среде. l Диффузный перенос газов в почве происходит частично в газовой и жидкой среде. l Диффузия через заполненные воздухом поры поддерживает обмен газами между атмосферой и почвой. l Диффузия через водные пленки различной толщины обеспечивает снабжение кислородом гидротированные живые ткани корневой системы растений и удаление из них углекислоты. l
Диффузия зависит от l l l Изменения температуры и барометрического давления. Этот фактор диффузионного газообмена характеризуется на уровне до 1, 5% от общего газообмена; Поступление влаги в почву с осадками или при орошении обеспечивает 6 -8% всего газообмена; Испарение - на место испарившейся воды поступает равное по объему количество атмосферного воздуха. Влияние ветра – зависит от скорости ветра, макро и микрорельефа, структуры почвы и характера ее обработки. Наибольший газообмен под влиянием ветра проявляется на пористых почвах лишенных растительности. Скорость диффузионных газов зависит и от скорости теплового движения молекул газа и длины их свободного пробега.
Все рассматриваемые факторы газообмена действуют в природных условиях совместно, и в процессе газообмена проявляется их суммарный эффект. Однако главным и непрерывно действующим фактором поступления кислорода в почву и удаление углекислого газа из нее следует признать диффузию. l Скорость теплового движения молекул очень высока. Например скорость движения кислорода - 461 м/с; N – 493 м/с; СО 2 - 393 м/с; Н 2 - 1838 м/с; паров Н 2 О - 615 м/с. l
Длинна свободного пробега молекул газов l l l Если бы диффузия зависела только от теплового движения, она в атмосфере проходила бы мгновенно. Однако этого не наблюдается. Вследствие небольшой и в тоже время разной длины свободного пробега молекул газов - О 2 - 10, 2 10 -5 см СО 2 - 0, 5 10 -5 см Н 2 - 17, 8 10 -5 см паров Н 2 О - 0, 72 10 -5 см Количество молекул газов в атмосфере настолько велико, что они сталкиваются друг с другом и за единицу времени проходят малое расстояние, чем то которое свойственно скорости теплового движения.
Диффузия газов через почву протекает медленно чем в свободной атмосфере в 2 -20 раз Об этом можно судить по отношению коэффициента диффузии газа в почве (D) к коэффициенту диффузии этого же газа в атмосфере (D 0). l D/D 0> 1 в почве при одной и той же температуре коэффициент диффузии равен объему газа в см 3, проходящего в секунду через 1 см 2 поверхности при толщине слоя 1 см и градиенте концентрации, равном единице. l На почвах не сильно увлажненных и не очень плотных коэффициент диффузии газа обычно равно 0, 009 см 2/с - что обеспечивает нормальный газообмен. При меньшей скорости газообмен затруднен. l
Диффузия (перемещение газов) l в почве идет через поры аэрации, т. е. поры занятые воздухом так называемые некапиллярные поры. Однако порозность аэрации, вычисленная обычным способом (разность между общей пористости (Роб = (1 -d/d 1) 100) и влажности почвы в объемных процентах), включает не только поры аэрации, но и поры, занятые защемленным воздухом, через которые газообмен не происходит. Такие поры имеются во всех почвах, но суммарный их объем больше в тяжелых бесструктурных почвах.
Формы химических соединений в зависимости от аэрации почвы Химические элементы Нормальная Восстановленная форма в хорошо форма в аэрированных пересыщенных почвах водой почвах Углерод CO 2 CH 4 Азот NO 3 NH 2 и NH 3 Сера SO 4 - - H 2 S Железо Fe+++ Fe++ Марганец Mn+++ Mn++
Пористость почв в зависимости от размера агрегатов (в % от объема) Диаметр агрегатов в мм Пористость < 0, 5 -1 1 -2 2 -3 3 -5 Общая 47, 5 50, 0 54, 7 50, 6 62, 6 Капиллярная 44, 8 25, 5 25, 1 24, 5 23, 9 24, 5 29, 6 35, 1 38, 7 Некапиллярная 2, 7
4. Воздушные свойства почв n n n Называют состояние и поведение почвенного воздуха в профиле почв. Основные воздушные свойства: Воздухоемкость; Воздухосодержание; Воздухопроницаемость; Аэрация.
Воздухоемкость l Называют максимально возможное количество воздуха, содержащее в сухой почве ненарушенного строения при нормальных условиях. l Общую воздухоемкость определяют (Ро. в. ) Ро. в. =Робщ. – Рг Где Робщ. – общая порозность почвы, %; Рг – объем гигроскопической влаги, %. l Общая воздухоемкость характеризуется содержанием капиллярных и некапиллярных пор. l Высокий процент капиллярной воздухоемкости указывает на малую подвижность почвенного воздуха, затрудненную транспортировку газов в пределах почвенного профиля, высокое содержание защемленного и сорбированного воздуха. l Некапиллярная воздухоемкость характеризуется некапиллярными межагрегатными порами, трещинами и т. д. Она связана со свободным почвенным воздухом. l l
Воздухосодержание l l l Это количество воздуха содержащего в почве при определенном уровне естественного увлажнения Определяют воздухосодержание по формуле Pв=Pобщ –Pw Вода и воздух в почве антагонисты поэтому существует четкая корреляция между влаго и воздухосодержанием. Воздухосодержание колеблется в различных почвах и по сезонам от 0 -90%. Во всех типах почв воздухосодержание имеет четко выраженную сезонную динамику.
Воздухопроницаемостью Называют способность почвы пропускать через себя воздух. l Это свойство определяет скорость газообмена между почвой и атмосферой. Оно определяется в основном некапиллярной порозностью. Воздухопроницаемость в естественных условиях изменяется в широких пределах от 0 до 1 л в секунду и выше. l
Аэрация l l l содержание воздуха в поровом пространстве не занятом водой. Порозность аэрации характеризуется некапиллярной воздухоемкостью, т. е. воздухоемкостью межагрегатных пор, трещин, камер. Она включает крупные поры, межструктурные полости, ходы корней и червец в почвенной толще и связана в основном со свободным почвенным воздухом. Некапиллярная воздухоемкость - порозность аэрации определяет количество воздуха существующего в почвах при их капиллярном насыщении влагой. Вычисляется по формуле Ра = Робщ – Рк.
На изменение состава почвенного воздуха оказывает влияние: l 1. Процессы жизнедеятельности организмов l 2. Дыхание корней растений и почвенной фауны l 3. Окисление органического вещества почв l 4. Процесс трансформации атмосферного воздуха в почве
Регулирование воздушного режима почвы n n n Воздушным режимом называют совокупность всех явлений поступления воздуха в почву, передвижение его в профиле почвы, изменение состава и физического состояния при взаимодействие с твердой, жидкой и живой фазами почвы, а также газообмен почвенного воздуха с атмосферным. Воздушный режим подвержен суточной, сезонной, годовой и многолетней изменчивости и находится в прямой зависимости от свойств почв (физических, химических, физико-химических, биологических погодных условий характерно растительности) возделываемой культуры, агротехники. Наиболее благоприятный воздушный режим складывается в структурных почвах, обладающих рыхлым сложением, способных быстро проводить и перераспределять в них воду и воздух. В улучшение воздушного режима нуждаются многие почвы особенно с постоянным или временным избыточным увлажнением. Регулируют воздушный режим с помощью агротехнических и мелиоративных мероприятий на заболоченных почвах агротехнические мероприятия можно применять только после коренного осушения.
Необходимость улучшения аэрации почв выявляют на основании изучения основных показателей воздушного режима: l l l l l содержание ими запаса почвенного воздуха; воздухопроницаемость; скорости диффузии газов; дыхание почвы; состава почвенного воздуха. Все эти показатели взаимосвязаны. При пористости аэрации 15 -20 % объемность в суглинистых, а также песчаных и супесчаных почвах в верхних горизонтах складывается благоприятный газообмен, его необходимо поддерживать в течение вегетации растений. Большой вред сельскохозяйственным растениям наносит образование на поверхности почвенной корки т. е. образование на поверхности почвы плотного водо- и воздухонепроницаемого слоя в 3 -5 см. Согласно исследованиям Поясова почвенная корка при влажности 17 % препятствует нормальной аэрации. В перегнойно-торфяных почвах для нормального газообмена минимальная величина пор аэрации составляет 30 -40 % объема почвы. Воздушный режим почвы оптимизируется при их окультуривание. Приемами регулирования реакции среды, применение органических и минеральных удобрений, орошение почв либо осушение, что активизирует биологические процессы в почвах, повышает интенсивность дыхания при наличие доступной для растений влаги.
Скачать презентацию Аэрофизика газообразная фаза почв Тема Воздушные свойства
Воздушные свойства Презентация.ppt