7.7. Грунтове повітря

Грунт – пориста система, що містить суміш газів, яка заповнює вільний від води поровий простір скелетної частини. Повітряна фаза – найбільш динамічна складова частина грунту. Кількість і склад грунтового повітря впливає на: 1) розвиток і функціонування рослин і мікроорганізмів; 2) розчинність і міграцію хімічних сполук у грунтовому профілі; 3) інтенсивність і спрямованість грунтових процесів. Крім того, грунт поглинає та сорбує токсичні промислові гази, а також очищує атмосферу від технічного забруднення.

Повітря в грунті знаходиться у чотирьох фізичних станах: вільне і защемлене, адсорбоване й розчинне.

Вільне грунтове повітря – це суміш газів і летких органічних сполук, які вільно переміщуються системою грунтових пор і з'єднуються з повітрям атмосфери. Вільне грунтове повітря забезпечує аерацію грунтів і газообмін з атмосферою.

Защемлене грунтове повітря – знаходиться у порах, з усіх боків ізольоване водяними плівками. Тонкодисперсна грунтова маса й компактна її упаковка має найбільшу кількість защемленого повітря. У суглинистих грунтах кількість його досягає більше 12% від загального об'єму грунту, або четверту частину його порового простору. Воно нерухоме, не бере участі в газообміні між грунтом й атмосферою, суттєво перешкоджає фільтрації води в грунті, може спричиняти руйнування грунтової структури при коливанні температури, тиску, вологості.

Адсорбоване грунтове повітря – гази й леткі органічні сполуки, адсорбовані грунтовими частинками на їх поверхні. Чим дисперсніший грунт, тим більше містить він адсорбованих газів при даній температурі. Кількість сорбованого повітря залежить від мінералогічного складу грунтів, від вмісту органічної речовини, вологості. Пісок поглинає повітря в 10 разів менше, ніж важкий суглинок: відповідно 0,75 і 6,00 см куб/г. Тонкодисперсний кварц сорбує СО₂ у 100 разів менше, ніж гумус.

Розчинне повітря – гази, розчинені в грунтовій воді. Це повітря обмежено може брати участь в аерації грунту. Але розчинні гази відіграють велику роль у забезпеченні фізіологічних потреб рослин, мікроорганізмів, грунтової фауни, а також фізико-хімічних процесів, які протікають у грунті. Усі чотири грунтові фази – тверда, рідка, газоподібна й жива – тісно пов'язані між собою і знаходяться в складній взаємодії.

Повітряно-фізичні властивості грунтів – це сукупність фізичних властивостей грунтів, які визначають стан і поведінку грунтового повітря у профілі.

Найбільш важливими є: повітроємність, повітровміст, повітропроникність, аерація.

Загальною повітроємністю грунтів називають максимально можливу кількість повітря, яка вміщується в повітряно-сухому грунті непорушеної будови при нормальних умовах.

Загальну повітроємність (Рз.п.) виражають у процентах до всього об'єму й визначають за формулою:

Рз.п. = Рзаг. – Рг,

де Рзаг. – загальна пористість грунту; Рг – об'єм гігроскопічної вологи,%.

Повітроємність грунтів залежить від їх гранулометричного складу, складення, ступеня оструктуреності. Необхідно розрізняти капілярну й некапілярну повітроємність. Грунтове повітря, яке міститься в капілярних порах малого діаметра, характеризує капілярну повітроємність грунтів. Велика кількість у грунті цього повітря свідчить про низьке переміщення газів у межах грунтового профілю. Це характерно для важкоглинистих, безструктурних, щільних грунтів, що набухають, викликає в них оглеєння. Суттєве значення для забезпечення нормальної аерації грунтів має некапілярна повітроємність, або пористість аерації, тобто повітроємність міжагрегатних пор. Вона містить великі пори, ходи коренів і черв'яків у грунтовій товщі. Некапілярна повітроємність (Ра – пористість аерації) визначає кількість повітря, яка існує в грунтах при їх капілярному насиченні вологою. Вона розраховується:

Ра = Рзаг – Рк,

де Рк – об'єм капілярної пористості,%. У добре оструктурених грунтах некапілярна повітроємність досягає найбільших значень – 25-30%.

Повітровміст – кількість повітря, яке міститься в грунті при визначеному рівні зволоження.

Його визначають за формулою:

Рв = Рзаг – Woб.,

де Wo6. – об'ємна вологість грунтів,%. Оскільки повітря і вода в грунтах є антагоністами, тому існує чітка від'ємна кореляція між волого – і повітровмістом.

Повітропроникність – здатність грунту пропускати через себе повітря.

Вона визначає швидкість газообміну між грунтом і атмосферою. Залежить від гранскладу грунту та його оструктуреності, від об'єму й будови порового простору. Переважно визначається некапілярною пористістю. Необхідно також звернути увагу на залежність некапілярної пористості від стану поверхні грунту, його розпущеності, наявності кірки.

Повітрообмін (газообмін), або аерація – це обмін газами між грунтовим повітрям й атмосферою.

Аерація визначається великою кількістю факторів як безпосередньо грунтових, так і зовнішніх, а саме:

1) атмосферними умовами – коливаннями температури повітря, зміною атмосферного тиску, кількістю опадів та їх розподілом, інтенсивністю та об'ємом випарування і транспірації води;

2) фізичними властивостями грунту – гранулометричним складом, структурою, станом поверхні, щільністю, кількістю та якістю пор аерації, температурним режимом і режимом їх вологості;

3) фізичними властивостями газів – швидкістю їх дифузії;

4) фізико-хімічними реакціями у грунтах по ланцюгу: поглинаючий комплекс-грунтовий розчин-газова фаза.

Основним фактором аерації в грунті, газообміну між грунтом й атмосферою є дифузія.

Дифузія – це переміщення газів відповідно до парціального тиску.

Дифузія газів залежить від довжини вільного пробігу молекул окремих газів (О₂, N₂, СО₂) та швидкості їх руху. Оскільки швидкість теплового руху молекул дуже велика (для О₂, N₂, СО₂, Н₂ і парів Н₂O ця швидкість відповідно дорівнює 461, 493, 393, 1838, 615 м/с), то якщо б дифузія залежала тільки від теплового руху молекул, вона в атмосфері проходила б миттєво. Внаслідок незначної довжини вільного пробігу молекул газів (для О₂, N₂, CO₂, Н₂ і парів Н₂O в середньому відповідно дорівнюють 10,22·10^-5; 9,5·10^-5; 6,5·10^-5; 17,8·10^-5; 0,72·10^-5 м), вони зіштовхуються одна з одною і за одиницю часу проходять значно меншу відстань. Тому дифузія газів у грунті завжди повільніша, ніж у вільній атмосфері (в 2-20 разів).

Сучасний склад земної атмосфери має біогенну природу. Велику роль у формуванні атмосфери відіграє газообмін між її приземним шаром і грунтом. Атмосферне повітря – це суміш газів, серед яких основними є чотири: азот, кисень, аргон, вуглекислий газ. Склад атмосферного повітря постійний, вміст його основних компонентів змінюється незначно. В атмосферному повітрі міститься в об'ємних процентах: азоту (N₂) – 78,08; кисню (О₂) – 20,95; аргону (Аr) – 0,93; вуглекислого газу (CO₂) – 0,03.

Грунтове повітря відрізняється динамічністю. Найбільш рухомими в грунтовому повітрі є О, і CO,. їх вміст у грунтах дуже коливається відповідно з інтенсивністю споживання кисню й продукування вуглекислого газу, а також швидкістю газообміну між грунтом і атмосферою. У грунтовому повітрі може бути СО, в десятки й сотні разів більше, ніж в атмосферному, а концентрація кисню може знижуватись з 20,9 до 15-10% і нижче. В орних, добре аерованих грунтах кількість СО₂ в грунтовому повітрі не перевищує 1-2%, а кількість О₂ не буває нижче 18%. В орних грунтах важкого гранулометричного складу вміст СО₂ може досягати 4-6% і більше, а О₂ падати до 8-15%. Кількість азоту в грунтовому повітрі мало відрізняється від атмосферного. Деякі зміни його вмісту відбуваються внаслідок зв'язування азоту бульбочковими бактеріями та проявом процесу денітрифікації.

Кисень виконує величезну роль у біосфері в цілому і в грунтовому повітрі, зокрема. Достатній вміст кисню забезпечує необхідний рівень мікробіологічної діяльності, дихання коренів рослин і грунтових тварин. Дефіцит кисню пригнічує розвиток кореневих волосків, викликає масову загибель сходів рослин, провокує розвиток хвороботворних мікроорганізмів. Анаеробний процес починає розвиватися при зниженні вмісту кисню до 2,5%. Концентрація кисню в грунтовому повітрі коливається від 0 до 21,0%.

Існує думка, що вуглекислий газ атмосфери на 90% має грунтове походження. Процеси дихання, розкладання постійно поповнюють запаси CO₂. Вуглекислий газ забезпечує асиміляційний процес рослин. Водночас його надлишок у складі грунтового повітря (більше 3%) пригнічує розвиток рослин, уповільнює пророщування насіння, скорочує надходження води в рослинні клітини. Оптимальні рівні концентрацій СО₂ в складі грунтового повітря коливаються в межах 0,3-3,0%. Існує високоінформативний показник біологічної активності грунтів, так зване "дихання грунтів". Воно характеризується швидкістю виділення СО₂ за одиницю часу з одиниці поверхні. Коливається від 0,01 до 1,5 г/м кв за год.

Динаміка грунтового повітря визначається сукупністю всіх явищ надходження, переміщення й трансформації газів у межах грунтового профілю, а також взаємодією газової фази з твердою, рідкою й живою фазами грунту. Вона має добовий і сезонний (річний) хід. Крім того, грунтове повітря різко реагує на додаткове надходження вологи в грунт. Добова динаміка визначається добовим ходом атмосферного тиску, температури, освітлення, зміною швидкості фотосинтезу. Ці параметри контролюють інтенсивність дифузії, дихання коренів, мікробіологічної активності, інтенсивність сорбції й десорбції, розчинності й дегазації. Сезонна (річна) динаміка визначається річним ходом атмосферного тиску, температур та опадів і тісно зв'язаними з ними вегетаційними ритмами розвитку рослинності та мікробіологічної діяльності.