7.2. Газовий склад ґрунтового повітря

У складі атмосферного і ґрунтового повітря розрізняють макро- і мікрокомпоненти. Атмосферне сухе повітря переважно містить 78,08 % нітрогену, 20,95 % оксигену, 0,93 % аргону і 0,03 % вуглекислого газу. А мікроелементи, або домішки, не перевищують за вмістом 0,1 ‰. Серед мікрокомпонентів атмосферного повітря можуть бути присутні різні гази: метан, оксид карбону, з’єднання сульфуру, нітрогену, пари летючих органічних з’єднань. Незважаючи на різноманітну людську діяльність, атмосферне повітря все-таки характеризується відносно постійним складом.

А ось склад ґрунтового повітря досить динамічний. Зміни вмісту мікрокомпонентів досить великі: О₂ – від 20,9 до 0,05 %, СО₂ – від 0,03 до 20 %. Такі значні коливання визначаються динамікою вмісту вуглекислого газу, який може підвищуватись у кілька разів за рахунок, перш за все, біологічних процесів і в меншій мірі хімічних процесів, пов’язаних з окисленням різних з’єднань, випаданням осаду при карбонатно-кальцієвих взаємодіях та ін. Важливо, що сума цих газів залишається практично завжди близькою до 21 %. Тому, визначивши вміст О₂, можна практично без помилок за різницею визначити і вміст СО₂. Хоча, звичайно, краще визначати їх окремо, так як у ґрунті інколи і дуже короткочасно можуть складатись умови, коли вказана постійність суми не зберігається. Наприклад, при поливі дуже сухого ґрунту, коли інтенсивно починає “працювати” ґрунтова біота, при потраплянні у ґрунт вод, що містять розчинені гази, та ін. – тобто в нерівноважних, вкрай недовготривалих процесах. Загальне правило діє для умов, близьких до рівноваги, більш характерних для ґрунтових процесів: % О₂ + % СО₂ ≈ 21 %.

Динамічність вмісту СО₂ і його виділення в атмосферу має визначені часові і просторові закономірності. Часові – сезонні і добові закономірності, що визначаються біологічною активністю, яка, в свою чергу, – температурою і вологістю ґрунту. Тому і спостерігається хороше співвідношення між вказаними фізичними факторами і, наприклад, виділенням СО₂ з ґрунту протягом вегетаційного сезону (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Сезонна динаміка температури, вологості ґрунту і виділення СО₂ з дерново-підзолистого ґрунту під паром (за Макаровим, 1988)

При аналізі динамічних процесів слід враховувати не лише фізичні фактори активності мікрофлори, але і наявність харчування для мікроорганізмів, а саме надходження опаду і/або кореневого опаду. Це достатньо добре ілюструється даними А. В. Смагіна (1999), у яких пік концентрації СО₂ припадає на серпень-листопад, що пов’язано не лише з оптимальними температурами і вологістю, але і з надходженням соснового опаду (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Сезонна динаміка концентрації СО₂ по шарах ґрунту у сосняку

(за Смагіним, 1999)

З даного рисунку видно і деякі просторові закономірності розподілу СО₂. Слід відмітити, що вміст СО₂ на глибині 30 см помітно вищий, ніж у поверхневих шарах, хоча, ймовірно, максимальна біологічна активність спостерігається у поверхневих шарах ґрунту. Спробуємо застосувати загальний фізичний підхід при аналізі явищ переміщення речовин: встановити джерела і стікання речовин та вияснити основні фізичні фактори перенесення. Джерело – мікробіологічні процеси трансформації органічних речовин. Стік – переніс СО₂ в атмосферу, де його концентрація значно нижча, і “стікання” вниз по профілю за рахунок його більш високої молекулярної маси. Рух цього газу в профілі буде визначатись процесами дифузії і конвекції, про які більш детально буде сказано нижче.

Таким чином, визначаючими факторами просторового розподілу СО₂ у профілі ґрунту є 1) активність мікроорганізмів (джерело) і 2) газообмін з атмосферним повітрям і “стікання” СО₂ вниз – це стік.

На основі цих процесів формується підвищена концентрація СО₂ на глибині 30 см – газообмін тут знижений у порівнянні з верхніми шарами, і поряд з власним “виробництвом СО₂” сюди ж “стікає” і СО₂ з верхнього шару. У річному циклі і для більших глибин ці процеси, особливо процес фізичного “стікання” в нижні глибинні шари, виглядає досить переконливо (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Розподіл концентрації СО₂ по профілю дерново-підзолистого ґрунту під змішаним лісом

(за Вороніним, 1986, дані І. Н. Ніколаєвої і Л. Б. Боровинського)

За літні місяці на глибинах 100-250 см створюється чітко виражений максимум, який перевищує вміст у верхніх шарах у 3-5 разів. Виходить, що ґрунт може бути не лише джерелом СО₂ в атмосферу нашої планети, але і помітним його буфером і акумулятором – адже такі великі кількості СО₂ “стікають” вниз у ґрунтові шари.

Таким чином, динаміку газового складу ґрунтового повітря (газовий режим ґрунту) визначають процеси газообміну з атмосферним повітрям, продукування ґрунтовою біотою і рух у ґрунтовому профілі – газоперенесення.

Процес газообміну СО₂ з атмосферою – дихання ґрунту. Дихання ґрунту – це поглинання оксигену і виділення СО₂. Процес за своєю суттю біологічний, пов’язаний з диханням ґрунтової біоти, а емісія СО₂ ґрунтом (виділення ґрунтом СО₂) визначається лише частково процесом дихання. Інтенсивність споживання оксигену ґрунтом і виділення СО₂ досягають величин n·10¹-10⁴ мг/(м²год). Причому у добовому циклі емісія, як правило, для ґрунтів бореального поясу характеризується денними і вечірніми максимумами, що пояснюється добовим ходом температури ґрунту, який відмінний від атмосфери, а мінімум припадає на ранкові години – час початку прогрівання ґрунту. Для кількісної характеристики процесу дихання ґрунту використовують так званий респіраційний коефіцієнт. Цей коефіцієнт є відношенням виділеного із ґрунту СО₂ до кількості О₂, що надійшов у ґрунт, за визначений проміжок часу. Величина цього коефіцієнта, близька до одиниці, характеризує добре аеровані ґрунтові умови. Однак навіть у добре аерованих ґрунтах у літні місяці він може збільшуватись до 1,05 за рахунок високої дихальної активності ґрунтової біоти і коріння рослин.

Емісії СО₂ ґрунтом у більшій мірі приділяється увага у зв’язку з так званим “парниковим ефектом”. Суть цього ефекту полягає у тому, що такі гази, як СО₂, СО, СН4, N₂O створюють а атмосфері деякий газоподібний екран, схожий до скла або плівки у теплиці, який пропускає короткохвильову радіацію, але не пропускає довгохвильову, теплову. Тобто ту, що поступає на поверхню ґрунту, пропускає, а ту, що виділяється з ґрунту, – ні. Тому приземний шар атмосфери і повинен прогріватись при підвищенні вмісту цих газів у атмосфері. Вважають, що кліматичні зміни пов’язані з виробничою діяльністю, яка збільшує частку цих газів. Однак, мабуть, доля людини у цих процесах перебільшена. Фізика цих процесів пов’язана в основному із потоками газів, які визначаються рядом законів з відповідними фізичними параметрами. Це закони газоперенесення в ґрунтах.