Тепловий режим грунту

ВСТУП

Завдяки пористості грунт характеризується повітропроникністю. Повітропроникність - це властивість грунту пропускати повітря через пори, не зайняті водою. Загальний обсяг грунтових пір вище найменшої вологоємності (капілярно-підвішеної вологи) називають повітроємністю, а загальний обсяг пір, вільних від вологи, - повітромісткістю, або пористістю аерації. Дані показники виражаються у відсотках від об'єму грунту. Повітряні властивості грунту залежать від вологості, об'ємної щільності, механічного складу, структурності грунту. Завдяки повітропроникності і пористості аерації в грунтах в тій або іншій кількості присутнє грунтове повітря. 
 
Грунтове повітря - гази, що знаходяться в порах грунту, вільних від вологи; кількість його виражається у відсотках об'єму грунту, а вміст змінюється в залежності від динаміки вологості грунтів в даній місцевості. Грунтове повітря може перебувати завдяки колоїдам в поглиненому стані, може бути розчинене в грунтовій волозі (вода може поглинати до 1-2%), в затисненому стані (коли повітря знаходиться в порах, з усіх боків оточених водною плівкою), і в вільному стані. Грунтове повітря добре дренованих грунтів містить 78% азоту, 21% кисню 21, 0,9% аргону, 0,03% вуглекислого газу, і за складом мало відрізняється від атмосферного. У ньому, проте, більше вуглекислоти і менше кисню.

 В залежності від  пористості, вологості, типу та видового  складу рослинного покриву, кількості  органічних речовин, мікроорганізмів, вміст 02 і С02 в грунтовому повітрі може змінюватися від 0 до 20%. Відмінності в концентрації 02 і С02 визначаються інтенсивністю використання 02, виробленням С02 і швидкістю обміну газового вмісту між атмосферним і грунтовим повітрям - аерацією. 
 
Аерація, або газообмін грунтового повітря з атмосферним, здійснюється завдяки повітропроникності грунту. Переміщення молекул відбувається внаслідок відмінності парціального тиску газів (дифузії). Так як в грунтовому повітрі більше вуглекислоти, ніж в атмосферному, в першу чергу в грунт надходить кисень, а виходить вуглекислота. Процес дифузії газів в самому грунті відбувається в 5-20 разів повільніше, ніж в атмосфері. На аерацію впливає надходження вологи в грунт, яка витісняє повітря в атмосферу. Значний вплив на газообмін чинять верховодки і близкозалягаючі (1,5-2,0 м) грунтові води зі змінним рівнем. При підйомі рівня води повітря, збагачене вуглекислотою, виштовхується в атмосферу, а при опусканні рівня води відбувається втягування атмосферного повітря, збагаченого киснем. У цьому позитивна роль грунтових вод. Аерація посилюється завдяки зміні температури і барометричного тиску атмосфери. Нагрівання грунту супроводжується розширенням газів та їх виходом в приземний шар повітря; те ж саме відбувається при зменшенні атмосферного тиску. Нарешті, газообмін грунтів посилюється при дії вітру в приземному шарі, що зазвичай зайнятий тією чи іншою рослинністю. 
 
Значення грунтового повітря та аерації для грунтових процесів, життя рослин і мікроорганізмів визначається складом грунтового повітря і, зокрема, співвідношенням кисню і вуглекислоти. Значна частина грунтоутворювального процесів, пов'язаних з розкладанням органічних речовин, супроводжується окисними процесами, активною мікробіологічною діяльністю. Тому найвищі органогенні горизонти поглинають значну кількість кисню. Так, лісова підстилка здатна поглинути до 400 мл/кг кисню, гумусові горизонти поглинають від 0,5 до 3 мл на 1 кг абсолютно сухої речовини, а нижні горизонти підзолистих грунтів - десяті й соті частки мілілітра. Поглинається кисень і зростаючим корінням рослин, мікроорганізмами. Причому у всіх випадках в грунтове повітря виділяється вуглекислий газ, кількість якого забезпечує фотосинтез рослин на 40-70%. При нестачі кисню створюються анаеробні умови, сповільнюються процеси розкладання органічних речовин, змінюються групи мікроорганізмів, змінюється валентність Fe і Мn, починаються процеси утворення торфу та оглеєння, руйнування грунтової структури з утворенням щільних горизонтів. 
 
Анаеробні умови складаються в грунтах при вмісті кисню 2,5-5% або, якщо його менше 5,5 см3 в 1 кг грунту. В результаті нестачі кисню в грунті змінюються інтенсивність і напрямок грунтоутворення, а грунтове повітря насичується недоокисленими сполуками (метан, сірководень, ароматичні речовини) і головним чином вуглекислотою, вміст якої може досягати 15-20% об'єму. 
 
Вуглекислий газ, що знаходиться в грунтах, сприяє утворенню (при реакції вище рН 5) бікарбонатів. При реакції середовища нижче рН 5 вуглекислий газ сприяє розчиненню карбонатів і, утворюючи вугільну кислоту, може брати участь в процесах хімічного і біохімічного вивітрювання, сприяючи переміщенню різних речовин по профілю грунтів. За умов нестачі кисню припиняється ріст коренів, проростків, елементи живлення стають недоступними, а зміна фізичних умови в грунті призводить до припинення росту рослин і втрати грунтової родючості. Для забезпечення найкращих умов газового складу грунтового повітря, аерації, росту рослин і розвитку мікроорганізмів необхідно, щоб пористість аерації верхніх горизонтів грунту перебувала в межах 15-20% обсягу грунту. 
 
Співвідношення в грунтах 02 і С02 постійно змінюється у зв'язку з сезонними і річними циклами розвитку рослин і кліматичними факторами. 
 
Поліпшення повітряного режиму грунту прямо пов'язане зі звичайними агротехнічними прийомами з регулювання фізичних властивостей грунтів і водного режиму. Підвищення аерації грунтів досягається зменшенням зволоження верхніх горизонтів. Однак для росту рослин потрібно оптимальне співвідношення між грунтовим повітрям і вологою, що досягається лише в добре оструктуренних грунтах додаванням органічних добрив при оранці. Хороший ефект дає осушення боліт, створення мікропідвищень, лісомеліоративних насаджень.

1.тепловий режим грунту

 
Тепло як джерело енергії необхідне для росту та розвитку рослин, для мікроорганізмів, які населяють ґрунт, синтезу органічних речовин у листках, утворення врожаю. Інтенсивність найважливіших фізіологічних процесів (фотосинтезу, дихання, транспірації) залежить від температури рослин і навколишнього середовища. Підвищення температури до певної величини (оптимуму) сприяє активізації зазначених вище процесів. У подальшому в разі її підвищення нормальна життєдіяльність рослин порушується, а якщо температура ще більше підвищується, то проходять незворотні порушення обміну речовин, які призводять до загибелі рослин. Найбільш сприятливим виявилося підвищення температури ґрунту при вирощуванні, наприклад, пшениці до 30°С, жита - до 20°С, ячменю - до 25°С та ін.

Кожний вид рослин має характерно визначені відношення до температури в різні фази їх розвитку. Найкращі умови створюються при оптимальній температурі, коли швидкість біохімічних реакцій досягає найбільшої величини. Ці особливості різних культур і сортів слід враховувати починаючи від установлення строків сівби.

До теплових властивостей ґрунту належать: поглинання теплової енергії; теплоємність; теплопровідність; температуропровідність; тепловипромінювання. Теплові властивості ґрунту залежать насамперед від співвідношення в ньому води, повітря та твердої частини, а також хімічного і гранулометричного складу, кольору, ступеня затінення та інших умов. У той час температура змінює показники теплових властивостей ґрунту протягом року на 20, щільність - на 50%, вологість здатна змінити їх в окремих випадках у 10-15 разів.

Температура ґрунту впливає на ріст рослин не тільки опосередковано, а й прямо, змінюючи його водно-повітряний і поживний режими.

Землеробство володіє значними засобами поліпшення теплового режиму: раціональний обробіток ґрунту, снігонагромадження, снігорозподіл, регулювання танення снігу, різні способи і норми висіву, чергування рослин у сівозміні, застосування системи добрив та ін.

Основним джерелом тепла для ґрунту є сонячна радіація. Надходження її до ґрунту змінюється в широких межах залежно від часу доби та широти, а також від стану атмосфери - її щільності, хмарності, наявності туману, пилу та ін.

Другим, менш значним ніж сонце, джерелом тепла в ґрунті є виділення його мікроорганізмами в процесі їхньої життєдіяльності. Утворення тепла за цих умов зумовлюється неповним використанням енергії, окисненням органічних речовин при синтетичних процесах у клітинах. На внутрішньоклітинні процеси використовується 15-20% загальної кількості перетвореної мікробами енергії, а решта її кількості надходить у навколишнє середовище у вигляді тепла.

Усі інші джерела тепла для ґрунту, наприклад, теплота змочування, внутрішня теплота земної кулі, енергія радіоактивного розпаду елементів, тепло, що виділяється при конденсації водяної пари в ґрунті, мають невелике значення.

2.Повітряні  властивості грунту  
Серед умов родючості ґрунту повітря має велике значення. Ґрунт містить повітря, яке проникає з атмосфери, а також гази, що утворюються в ґрунті внаслідок біохімічних процесів, які відбуваються в ньому. Повітря займає в ґрунті всі проміжки, що не зайняті водою. Крім того, деяка кількість його розчинена в ґрунтовій волозі й поглинута колоїдами ґрунту.

Ґрунтове повітря помітно відрізняється від атмосферного. В останньому міститься (у відсотках до об'єму): азоту - 78,08, кисню - 20,95, вуглекислого газу - 0,03. У ньому також, але менше, містяться й інші гази: аргон, гелій, водень, озон, радон.

До складу повітря входить водяна пара, кількість якої мало змінюється (від 0 до 4%). Поблизу деяких промислових підприємств у повітрі можуть бути шкідливі домішки: сірчаний газ, хор, сірководень та ін.

Найважливішою складовою частиною повітря для життя рослин і мікроорганізмів є кисень та вуглекислий газ. Біологічні процеси в ґрунті пов'язані з поглинанням кисню і виділення вуглекислоти. Тому ґрунтове повітря від атмосферного відрізняється меншим вмістом кисню і більшою концентрацією вуглекислого газу. Вміст кисню в ґрунтовому повітрі може становити 11-20%.

Вуглекислоти в повітрі орного шару міститься від 0,1 до 1%, але частіше 0,8%. З внесенням свіжих органічних добрив вміст вуглекислоти може підвищуватися до 2, а іноді навіть до 7-8%. В окремих випадках при анаеробному розкладі органіки і недостатньому газообміні в ґрунтовому повітрі виявляють сірководень і метан.

Потреба в молекулярному кисні сільськогосподарських культур починається відразу ж після сівби і проростання насіння. Тривале перебування насіння в перезволожених умовах ґрунту призводить до затримки його проростання.

За відсутності газообміну між ґрунтовим і атмосферним повітрям весь кисень у ґрунті витрачається протягом двох діб. Максимум використання його коренями рослин припадає на період цвітіння рослин. На цей період припадає максимум нагромадження вуглекислоти в ґрунті під такими культурами, як жито, пшениця, горох, буряки, картопля, конюшина та ін. При недостатній кількості кисню в ґрунті корені рослин відмирають внаслідок розчинених у воді окислених сполук ґрунту. Тому нітрати можуть відновлюватися в нітрити не лише під впливом діяльності мікроорганізмів, а й коренів рослин. При цьому в ґрунті починають нагромаджуватися відновлені сполуки, чим різко порушується живлення рослин.

На нестачу кисню в ґрунті рослини реагують неоднаково: злакові менше, ніж бобові. Дуже на нестачу кисню реагують картопля, ячмінь, люпин і менше - гречка та рис. Незважаючи на відносно більшу стійкість проти нестачі кисню злакових рослин, все ж таки їх урожай значною мірою знижується. Причиною цього є вплив шкідливих закисних сполук, що утворюються в ґрунті при його недостатній аерації. Кисень необхідний рослинам для дихання. Він є джерелом енергії, що витрачається при надходженні води і поживних речовин у клітини, для росту, синтетичних процесів тощо.

Багато кисню потребують корисні ґрунтові мікроорганізми. Нітрифікація активно відбувається тільки при вільному доступі кисню. У зв'язку з цим вона завжди активізується при розпушуванні ґрунту. В перші дні після розпушування нітрати з'являються іноді в 5-10-кратних кількостях порівняно з їх наявністю до обробітку.

Бульбочкові бактерії, що живуть на коренях бобових рослин, активно діють і засвоюють молекулярний азот тільки при вільному надходженні кисню. Фіксація азоту відбувається паралельно з використанням бактеріями вільного кисню при окисненні різних джерел вуглецю.

Фіксація атмосферного азоту азотобактером, що живе на коренях рослин, перебуває в прямому зв'язку із диханням. Існує певна залежність між запасом хімічної енергії у використаній азотобактером органічній речовині і кількістю фіксованого ним азоту (на 1 ккал фіксується 2 мг атмосферного азоту).

Кисень необхідний для мікроорганізмів, що беруть участь у живленні культурних рослин. Мікориза, а також багато мікробів прикореневої зони тісно пов'язані з вищими рослинами. Вони є аеробними організмами і потребують наявності кисню в ґрунті.

Вищі рослини по-різному реагують на вміст вуглекислоти в атмосферному й ґрунтовому повітрі. За умов концентрації вуглекислоти в ґрунтовому повітрі понад 1% деякі культурні рослини виявляють ознаки отруєння, тоді як підвищення концентрації її у атмосферному повітрі до 1% і більше супроводжується збільшенням врожаю. Встановлена пряма залежність асиміляції багатьох рослин від підвищення вмісту вуглекислоти в повітрі.

Запас СО2 в повітрі становить близько 600 більйонів тонн вуглецю. З цього запасу рослини земної кулі щорічно використовують близько 19 більйонів тонн. Тому тільки при постійному поновленні вуглекислоти в атмосфері створюється кругообіг її в природі і забезпечується безперебійне живлення рослин. Нестача СО2 в повітрі компенсується вуглекислотою, що виділяється з ґрунту та при диханні організмів.

Трав'янисті рослини використовують вуглекислоту насамперед з приземного шару повітря, де її концентрація вища. За рахунок ґрунтової вуглекислоти найшвидше поповнюється нестача СО2 в нижніх шарах атмосфери. Нестача вуглекислоти тут у денні години легко поповнюється вночі, коли припиняється фотосинтез. При зниженні температури вночі зменшується і продуціювання вуглекислоти в ґрунті, але вночі рослини не використовують СО2, а навпаки, виділяють його під час дихання. Усе це відновлює денні витрати СО2. Це ще більше підсилює газообмін між ґрунтовим і атмосферним повітрям.

У ґрунті СО2 нагромаджується в основному під впливом життєдіяльності мікроорганізмів і кореневої системи рослин. Коренева система культурних рослин дуже чутлива до високої концентрації СО2 в ґрунті, але мікроорганізми здатні порівняно легко її переносити. Амоніфікуючі й нітрифікуючі бактерії припиняють свою життєдіяльність при вмісті СО2 понад 30%. Життєдіяльність ґрунтових бактерій посилюється і виділення СО2 збільшується при внесенні переважно органічних добрив, що містять калій, фосфор, сірку. Утворенню СО2 сприяє тепло, рівномірна вологість, що становить 40% ПВ ґрунту, розпушування ґрунту, одночасне внесення органічних і мінеральних добрив. Найбільше СО2 у верхніх шарах ґрунту, де значно більше мікроорганізмів і де активність їх вища. На глибині 20-30 см кількість бактерій в 1 г ґрунту зменшується в 3-10 разів. На глибині 1 м і більше кількість бактерій зменшується ще більше. Незважаючи на те, що найбільша кількість СО2 зосереджена у верхніх шарах ґрунту, концентрація його в глибших шарах менша, а газообмін значно уповільнений.

Крім вільного стану, ґрунтове повітря може бути в стані поглинутого колоїдними частками ґрунту при його вологості нижче від максимальної гігроскопічності. Поглинуте повітря характеризується меншою рухливістю, ніж вільне повітря. Кількість повітря, поглинутого сухим ґрунтом, неоднакова в різних ґрунтах. Поглинання ґрунтом молекул газів залежить від ступеня зволоження ґрунту, температури (з підвищенням температури поглинання зменшується), тиску (з підвищенням тиску поглинання стає більшим), хімічного складу ґрунтових колоїдів, хімічної природи газів. Найін-тенсивніше поглинається водяна пара, потім у зменшуючому порядку - вуглекислий газ, кисень, азот.

Крім вмісту в ґрунті вільних і поглинутих газів, ґрунтова волога має розчинені в ній гази. Вони переходять з ґрунтового розчину в повітря або знову розчиняються. Найактивнішими є кисень та вуглекислий газ. Із зниженням температури ґрунтової води розчинність кисню і особливо вуглекислого газу збільшується. Вільний кисень у ґрунтовому розчині є окиснювачем, тому відіграє значну роль в окисно-відновних реакціях і формуванні врожаю. Розчинна в ґрунтовій воді вуглекислота сприяє переходу важкорозчинних солей у більш доступні для рослин сполуки.

Під повітряним режимом розуміють сукупність усіх явищ: надходження повітря в ґрунт, його переміщення і витрачання в ньому, обмін газами між ґрунтом, атмосферою, твердою і рідкою фазами, споживання і виділення газів живими істотами ґрунту. Кількість повітря в ґрунті залежить від щільності та ступеня заповненості щілин водою. Повітроємність визначається об'ємом ґрунтових пор, заповнених повітрям при вологості ґрунту, яка дорівнює НВ. Капілярні пори (діаметром менше ніж 0,1 мм) частково або повністю заповнені водою, а некапілярні (діаметром понад 0,1 мм) - повітрям. Об'єм некапілярних пор у відсотках від загального об'єму ґрунту визначає некапілярну пористість і становить важливу частину повітроємності ґрунту, яка істотно підвищується після його розпушування у зв'язку із збільшенням проміжків між ґрунтовими грудочками. Таким чином, повітряний режим пов'язаний з водним режимом ґрунту і добре піддається регулюванню на ґрунтах, що мають водотривку дрібногрудочкувату структуру (0,25-10 мм). Повітря, що переміщується в проміжках ґрунту, аерує його. Проте надлишок вологи (близької до повної вологоємності або вище від неї) за певних умов призводить до з'явлення щілин з повітрям, які закриті водяними пробками. У зв'язку з відсутністю газообміну в таких щілинах збільшується вміст СО2, а кисень використовується мікроорганізмами та коренями рослин. Це спостерігається, головним чином, в ущільнених прошарках ґрунту. З висиханням ґрунту водні пробки зникають, відкриваються з'єднання ґрунтових щілин з атмосферним повітрям.