Воздушный режим почвы это совокупность явлений

подвижное состояние атмосферы и ее газов в биоценозах (ценоэкосистемах). Прежде всего, это обменвоздушными массами между атмосферой внешней и биоценотической. среды (в частности, почвы). Носиттурбулентный (беспорядочный), ламинарный (параллельными струями - ветер) и конвекционный(встречными объемами) характер. Все это имеет большое значение в круговороте ряда веществ, в том числеводы (см. влажность воздуха). Воздух является источником кислорода и углерода, а также азота для питанияорганизмов, что придает особый характер обмену этих газов, происходящему к тому же в циклическомсуточном и годовом ритме. Воздушная среда ценоэкосистем как в надземных,, так и в почвенных горизонтахсильно изменена совершающимися биогенными круговоротами веществ и особенно различными биоли-нами(в том числе ароматическими веществами). Воздушный режим может быть сильно нарушен загрязнениематмосферы.

Воздушный режим почв — это изменение состава и концентрации почвенного воздуха в профиле почвы во времени (за определенный промежуток времени).

Для нормальной жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, протекания биохимических и химических реакций, создающих питательную среду в почвенных растворах, развития корневой системы растений требуется активный газообмен (аэрация почв), в котором важную роль играют кислород и углекислый газ.

Воздушный режим почв характеризуется обычно суточной, сезонной, годовой и многолетней динамикой O₂ и СO₂. Динамика CO₂ и O₂ связана с жизнедеятельностью почвенных животных, микроорганизмов и растений, а также газообменом почвы с атмосферным воздухом.

Газообмен в почве осуществляется по порам аэрации в результате диффузии O₂ в почву и CO₂ из почвы. Процесс выделения CO₂ и потребления O₂ почвой называется почвенным дыханием.

Микроорганизмам принадлежит главная роль в почвенном дыхании.

На долю корней растений приходится только около 1/3 общего потока CO₂ из почвы. Суточная и сезонная динамика эмиссии CO₂ с поверхности почвы показана на рисунке ниже.

Интенсивность дыхания почвы в течение суток связана, как правило, с ходом температуры почвы и биологической активностью микроорганизмов. Характерны дневные и вечерние максимумы выделения CO₂ почвой.

Увеличение влажности почвы приводит к уменьшению ее пористости и аэрации, а значит, снижению доступа кислорода для дыхания почвенных микроорганизмов и протекания реакций, а также сокращению выделения углекислого газа в атмосферу.

Чем больше зона аэрации и интенсивнее газообмен в почве, тем лучше условия для развития корневой системы древесной растительности, а, значит, для продуктивности древостоя.

В течение сезона наибольшая интенсивность дыхания почвы наблюдается в середине лета, а наименьшая — зимой при снежном покрове. Максимальное значение дыхания — более 1 г/(м²⋅ч) — отмечено в периоды поступления в теплую влажную почву свежего растительного субстрата (опад, органические удобрения).

Сезонная динамика CO₂ активно проявляется в верхней толще почвы. В ней сосредоточены основные биогенные источники и в наибольшей степени изменяются температура и влажность.

Величина суммарной эмиссии (выделения) из почвы CO₂ за год зависит главным образом от продолжительности вегетационного периода и рассчитывается в тоннах углерода с одного гектара в год — 1 т С/(га год). Минимальная среднегодовая эмиссия CO₂ наблюдается в почвах тундры — 0,3—0,7 т С/(га год), максимальная — в чернозёмах — 6—8 т С/(га год). Подзолистые почвы выделяют в среднем 1,5—3,0 т С/(га год).

Газы непрерывно образуются в почвах в результате микробиологической деятельности, биохимических и химических процессов, выполняющих исключительно важную роль в регулировании состава и концентрации газов в атмосфере.

Относительный вклад почв в глобальную эмиссию и поглощение газов (по А.В. Смагину, 2005)

Помимо углекислого газа и кислорода в газообмене участвуют метан и оксид азота, эмиссия которых из почвы в атмосферу вносит свой вклад в процессы, вызывающие глобальное потепление.

68. Первичные ступени процесса гумусообразования

Гумусообразование — процесс формирования динамичной системы органо-минеральных соединений в профиле почв, соответствующей экологическим условиям ее функционирования. Другими словами, это процесс формирования органопрофиля почв, начинающегося с нулевой отметки почвенного профиля и заканчивающегося переходным горизонтом к почвообразующей породе. Общая схема процесса гумусообразования представлена на рис. 14.1.

Согласно этой схеме, гумусообразование включает все характерные процессы формирования и эволюции органопрофиля почв: разложение поступающих в почву свежих органических веществ, их минерализацию и гумификацию, минерализацию гумусовых веществ, взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы, миграцию и аккумуляцию органоминеральных соединений.
Разложение (распад) поступающих в почву свежих органических веществ (процесс, предшествующий минерализации и гумификации) осуществляется микрофлорой и микрофауной при участии химических реакций гидролиза, дезаминирования, декарбоксилирования, окисления-восстановления и др. В результате этого процесса образуются промежуточные продукты разложения: аминокислоты, пуриновые и пиридиновые основания, моносахариды, олигосахариды, уроновые кислоты и другие.
Промежуточные продукты разложения частично подвергаются полной минерализации до простых солей, газов и воды, частично гумифицируются. Скорость разложения и минерализации зависит от биохимического состава источников гумуса, соотношения С: N в их составе и гидротермических условий. В течение первого года разложения минерализационные потери углерода растительных остатков составляют 30-70% от исходной массы. На поверхности почвы скорость минерализации нарастает с севера на юг от подзолистых почв к каштановым, а на глубине более 20 см закономерность обратная, что связано с особенностями гидротермических условий почв зонального ряда.
Гумификация — образование высокомолекулярных гумусовых веществ специфической природы из промежуточных продуктов распада свежих органических веществ. Существует ряд концепций гумификации, которые дополняют одна другую. Они все в той или иной степени подтверждены экспериментально.
Концепция биохимического окисления. Предложена в 30-х годах И.В. Тюриным, затем детально разрабатывалась и экспериментально подтверждена в работах Л.Н. Александровой и ее учеников.

Ведущее значение, согласно этой концепции, в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления различных высокомолекулярных веществ, имеющих циклическое строение — белков, лигнина, дубильных веществ.
Основными элементарными звеньями этого процесса являются: окислительное кислотообразование, формирование азотной части молекулы, формирование и дальнейшая трансформация новообразованных гумусовых кислот (ароматизация, гидролитическое расщепление, сорбция, конденсация), а также процессы взаимодействия с минеральной частью почвы.
Концепция биохимической конденсации и полимеризации. Основоположником этой концепции был А.Г. Трусов. Дальнейшее развитие она получила в работах М. М. Кононовой, а ее разновидности в работах В. Флягера, Ф. Шеффера и Б. Ульриха. В основе этой концепции лежит представление о гумификации, как о системе реакций конденсации и полимеризации мономеров, промежуточных продуктов разложения (аминокислот, фенолов, хинонов и др.). Процесс конденсации рассматривается как биохимический, с участием ферментов — полифенолксидаз, грибного и бактериального происхождения, а процесс полимеризации — как чисто химический, который происходит на заключительной стадии гумификации при взаимодействии гумусовых веществ с твердой фазой почв.
Микробиологические концепции гумификации. Согласно этим концепциям, гумусовые вещества — это продукты внутриклеточного синтеза микроорганизмов. Впервые такая гипотеза была сформулирована П.А. Костычевым, затем она получила развитие в работах С.Н. Виноградского, Ф.Ю. Гельцер, Т.Г. Мильчика, Д.Г. Звягинцева. Установлено, что внутри клеток многих грибов, стрептомицетов, целлюлозных бактерий, споровых аэробных и анаэробных бацилл образуются темные пигменты меланоидного типа, которые по составу и свойствам близки к гуминовым кислотам почв. Очевидно, что для приобретения устойчивости к разложению такие вещества должны провзаимодействовать с минеральной частью почвы.
Кинетическая теория гумификации — разработана в 70-х годах Д.С. Орловым. В основе ее лежит принцип "отбора" наиболее устойчивых органических соединений в процессе гумификации. Глубина гумификации — степень преобразования растительных остатков в гумусовые вещества — характеризуется отношением СгК: Сфк. Она тесно связана с периодом биологической активности, что автор подтверждает тесной корреляционной связью глубины гумификации с длительностью периода биологической активности в почвах зонального ряда. Однако в почвах разных фаций (черноземы южно-европейской и восточносибирской фации) такой корреляции не наблюдается. Эта теория не применима и к почвам субтропических и тропических областей.

Теория обновления гумусовых веществ разработана в 70-х годах А.Д. Фокиным. Ее суть состоит в том, что продукты разложения могут не формировать целиком новую гумусовую молекулу, а включаются за счет конденсации сначала в периферические фрагменты уже сформированных молекул, а затем — в циклические структуры. При этом периферические фрагменты обновляются в несколько раз быстрее, чем ядерные. Такой тип обновления автор назвал фрагментарным. Кроме того, методом изотопных индикаторов А.Д. Фокин показал наличие обменной молекулярной сорбции гумусовых молекул.
Количественная оценка процесса гумификации. Для количественной оценки процесса гумификации используют коэффициенты гумификации (Кг) — это часть поступающих в почву органических веществ (наземный и корневой опад, органические удобрения и др.), трансформирующаяся в гумус при полном их разложении. Обычно величина Кг рассчитывается в долях или в процентах (на сухое вещество) от годового количества поступающих в почву свежих органических веществ. Однако в течение года разлагается только часть поступающих свежих органических веществ (30-70%). Остальная масса разлагается и гумифицируется в последующие годы. Поэтому для расчета Кг используют промежуток времени, измеряемый несколькими годами или даже десятками лет, включающих ряд циклов разложения и гумификации поступающих в почву свежих органических веществ. Расчетная величина Кг, таким образом, является усредненной за ряд лет. Основная трудность определения Кг заключается в отделении новообразовавшегося гумуса из учитываемых в опыте его источников от ранее образовавшегося гумуса.
Решение этого вопроса, в какой-то мере, возможно с помощью изотопноиндикаторного метода. Прямое определение Кг можно проводить в безгумусных субстратах (породах) при известном количестве поступающих или вносимых в почву органических веществ за определенное время. В пахотных почвах Кг определяют в длительных опытах путем учета прибавки гумуса на делянках с известными дозами органических удобрений по сравнению с исходным его содержанием в почвах контрольных делянок (без удобрений), при одинаковых культурах и агротехнике. Однако такие показатели более правильно называть коэффициентами прироста гумуса, поскольку они не учитывают количества обновляющегося гумуса. Наконец, величину Кг можно оценить по данным радиоуглеродного датирования возраста гумуса, сущность которого заключается в определении среднего времени пребывания (СВП) углерода в составе гумуса или его отдельных фракций по удельной активности распада 14С.

Величина, обратная СВП, соответствует доле углерода, обновляющегося в среднем за 1 год, и равна величине Кг в долях от запасов гумуса, поскольку количество минерализующегося гумуса в зрелых почвах равно количеству разлагающегося. Зная величину ежегодного опада, несложно рассчитать Кг в долях от массы годового опада. Точное определение Кг усложняется тем, что разные группы, фракции и даже отдельные фрагменты молекулы гумусовых веществ обладают разной устойчивостью к разложению. Длительность существования разных составных частей гумуса может различаться на порядок или даже на несколько порядков. Поэтому величина Кг может зависеть от длительности периода его определения.
Разные подходы к определению Кг в значительной степени объясняют большие колебания их значений, приводимых в литературе, от 0 до 40-50% массы источников гумуса. Поэтому использование Кг для расчета баланса гумуса с целью регулирования уровня гумусированности дает большие погрешности.
Разложение и минерализация гумусовых веществ. Установлено, что гумусовые вещества подвержены процессам разложения, обновления и минерализации. Скорость этих процессов значительно ниже, по сравнению со скоростью разложения и минерализации источников гумуса. Многие исследователи объясняют высокую устойчивость гумусовых веществ к разложению особенностями строения их молекул.
Однако, тот факт, что в свободном состоянии в условиях земной поверхности гумусовые кислоты в значительных количествах не накапливаются, позволяет полагать, что основной причиной устойчивости является степень прочности их связи с минеральной частью почв. Методом радиоуглеродного датирования установлено, что среднее время пребывания углерода в составе гумуса измеряется сотнями и тысячами лет.
При этом скорость обновления фульвокислот выше, чем гуминовых; гумус в верхних слоях черноземов старше, чем гумус дерново-подзолистых почв. Во всех почвах более интенсивно обновление гумуса происходит в верхней части почвенного профиля, где значительно выше биологическая активность.
Способность разлагать гумусовые вещества установлена для многих почвенных организмов — грибов, актиномицетов, бактерий. С. Н. Виноградский делил микрофлору почв на две группы:
- зимогенную, привносимую с растительной массой и разлагающую ее;
- автохтонную, собственно почвенную, разлагающую гумусовые вещества.

Для оценки скорости минерализации гумуса используется коэффициент минерализации (Кмг) — количество минерализующегося гумуса в год, выраженное в долях или процентах от общих запасов. При определении Кмг возникают такие же проблемы, как и при определении Кг. Цикличность данного процесса, разновозрастность различных групп и фракций гумуса, постоянная минерализация источников гумуса осложняют экспериментальное определение Кмг. Тем не менее, существует ряд способов примерной оценки скорости минерализации гумуса.
1. Определение Кмг изотопноиндикаторным методом. Меченые по углероду или азоту источники гумуса вносят в почву, в последующем определяя включения их в гумус и минерализационные потери.
2. Определение Кмг по данным радиоуглеродного датирования возраста гумуса. Этот способ аналогичен описанному выше, при рассмотрении методов определения Кг.
3. Определение Кмг в условиях длительных стационарных опытов. Зная запасы гумуса в вариантах длительно парующих делянок, в начале и в конце опыта рассчитывают среднегодовые потери гумуса, принимая их за Кмг. При этом не учитывается новообразованный гумус, источником которого может быть почвенная биота.
Кроме того, в парующих делянках минерализация может иметь другую интенсивность, по сравнению с делянками под сельскохозяйственными культурами. Следует также иметь ввиду, что в парующих делянках наибольшая интенсивность минерализации происходит в первые годы опыта с последующим замедлением. Это связано с тем, что в первые годы происходят потери менее устойчивых фракций гумуса. Через десятки лет состояние гумуса в парующих делянках может приближаться к квази-равновесному. Поэтому на величину Кмг, определенную таким способом, оказывает влияние длительность наблюдений.
4. Определение Кмг по эмиссии СО2. При определении Кмг таким способом производится учет выделяющегося углекислого газа, который образуется при разложении и минерализации органических, в том числе гумусовых, веществ. Метод имеет те же недостатки, что и предыдущий.
5. Определение Кмг по выносу азота с урожаем. Установлено, что 50-60% азота, используемого растениями, является почвенным. Остальные 40-50% азота поступают в урожай из удобрений. Таким образом, зная величину урожая и содержание в нем азота, рассчитывают количество минерализовавшегося гумуса. Этот способ определения Кмг так же обладает рядом существенных недостатков. Почвенный азот представлен не только азотом гумуса, но и, прежде всего, азотом легкоразлагаемых органических веществ, в том числе растительных остатков. Трудно поддаются учету такие статьи прихода в почву азота, как фиксация свободноживущими микроорганизмами (несимбиотическая азотфиксация), атмосферные осадки. Все это вызывает большие погрешности при определении Кмг этим способом.
Величины Кмг, определенные разными методами, варьируют в очень широких пределах, от сотых долей процентов до 1-2% в год, что в пересчете на массу составляет от десятков и сотен кг до 3-4 т/га. Очевидна непригодность использования Кмг для расчета баланса гумуса в практических целях.