Газы, содержащиеся в почвах

КОЛИЧЕСТВО НАХОДЯЩЕГОСЯ В ПОЧВАХ ВОЗДУХА И УСЛОВИЯ ЕГО ОБНОВЛЕНИЯ

Б главе о структуре почв мы говорили о том, какой объем занимают промежутки между твердыми частицами почв; в почве сухой промежутки эти заняты воздухом, а в почве влажной часть их занята водою. Если плотность почвы долгое время остается неизменною, то количество воздуха, заключающегося в ней, зависит от содержания в ней воды и определяется разностью между объемом промежутков и объемом находящейся в почве вод. При разрыхлении почт, частицы их удаляются одна от другой, и тогда содержание в них воздуха соответственно с этим увеличивается.

Почвенный воздух находится в постоянном сообщении с атмосферным (за исключением случаев, указанных ниже) и постоянно с большей или меньшей легкостью, смотря по различным условиям. Обмен почвенного воздуха на атмосферный совершается вследствие различных причин.

Во-первых, почвенный воздух, как мы увидим ниже, отличается по госта у от атмосферного воздуха, а если состав двух сообщающихся газов неодинаков, то между ними начинается диффузия и продол ищется до тех пор, пока состав обоих газов не сделается одинаковым. Так как в почве существуют условия, в силу которых объем попавшего в почву воздуха неизбежно изменяется, то причина, обусловливающая диффузию между почвенным и атмосферным воздухом, существует постоянно. Но, во всяком случае, этот процесс обновления почвенного воздуха, сравнительно с другими, имеет значение второстепенное, потому что может происходить только медленно.

Во-вторых, обновление почвенного воздуха на атмосферный происходит прп измен нип высоты барометра. У нас, как известно, суточный ход барометра большей частью неправилен, и только в среднем выводе за многодневные периоды можно заметить два известные понижения атмосферного давления часа через 4—6 после полудня и полуночи и два повышения часа за 2 до полудня и полуночи. Соответственно этому, в среднем выводе в течение каждых суток происходит двукратный обмен почвенного воздуха на атмосферный: прп уменьшении атмссферного давления юздух выделяется из почвы, а при увеличении его ьходит в почву; то я е екмее, конечно, происходит и прп всяких непериодических изменениях в упругости атмосферного воздуха. Под влиянием этой причины обновление воздуха л ожет происходить, однако, только в поверхностном слое почвы. В самом деле, взявши изменения в давлении даже в 50 мм (например, от 780 до 730 мм), мы найдем, что объем, а воздуха при большем давлении превратится приблизительно в 1,07 а прп меньшем давлении, т. е. при уменьшении давления из почвы выделится менее 0,1 находящегося в ней воздуха.

В-трстьих, обмен почвенного воздуха па атмосферный происходит при всех изменениях температуры почвы: при нагревании воздух, находящийся в ней, расширяется и выделяется из почвы; при понижении температуры почвы происходит обратное. Так как в течение суток температура имеет в среднем выводе один максимум и один минимум, то под влиянием ее вхождение воздуха в почву и выхожденпе его происходят по одному разу в сутки (в среднем выводе); нужно заметить, что наибольшая температура (после полудня) близко сходится со времепем наименьшего давления атмосферы, так что в это время происходит наибольшее выделение воздуха из поч!>ы. Понятно, что изменения температуры и давления по временам года оказывают такое же влияние на обмен почвенного воздуха, как и суточные изменения их.

Суточные изменения почвенной температуры, как мы увидим, ограничиваются неглубоким слоем почвы, и, следовательно, только в этом слое может происходить обновление почвенного воздуха ежедневно под влиянием нагревания и охлаждения почвы.

Затем ветер может сильно способствовать обновлению почвенного воздуха, в особенности при неровной поверхности почвы, и всего сильнее прп комковатой: ударяясь в комья, ветер может отчасти отражаться вниз и обусловливает тогда как бы вдувание воздуха в почву, вследствие чего в других местах воздух должен выходить пз почвы.

Наконец, весьма важную причину, вероятно, всего сильнее содействующую обновлению почвенного воздуха, составляет пропитывание почв водою и высыхание их. При каждом дожде вода, входящая в почву, занимает большую или меньшую часть ее скважин, вытесняет из них воздух, и, при насыщешш почвы водою до значительной глубины, из почвы может быть вытеснена бблыпая часть находившегося в ней воздуха. При высыхании почвы, наоборот, скважины ее все более и более освобождаются от воды и занимаются воздухом. При атом, кроме того, несомненно, происходят некоторые явления, заслуживающие нашего внимания. Упругость почвенного воздуха вообще одинакова с упругостью атмосферного воздуха; при пропитывании почв водою упругость почвенного воздуха на некоторое время может быть сильно увеличена. Мы уже говорили раньше, что при проникновении в почву воды последняя не может вытеснить всего находящегося в почве воздуха: так как почвенные скважины не раины между собою и, кроме того, местами расширены и местами сужены, то при пропитывании почвы водою в скважинах непременно образуются столбики воды, разделенные пузырьками воздуха, вследствие того, что водя, проникая в скважины сверху, в то же самое время успевает входить в некоторые из них и снизу из более широких скважин, где пода движется быстрее. То же самое происходит от падения на землю дождя в виде отдельных капель и т. п. Трубки, содержащие столбики воды, разделенные иузырьками воздуха (в особенности трубки, попеременно расширяющиеся и суживающиеся), как показал Жамен, непроницаемы для воздуха даже при значительных давлениях. Вследствие этого при достаточно сильном дожде и при порошковагой или сплошной структуре почв или при структуре с очень маленькими комочками и т. п. верхний слой почвы очень быстро может сделаться непроницаемым для почвенного и атмосферного воздуха, которые, таким образом, па некоторое время вполне разобщаются один от другого.

Если у такой почвы на некоторой глубпне есть слой, пропитанный водою, то он тоже непроницаем для почвенного воздуха, который вследствие этого находится как бы в замкнутом сосуде с непроницаемыми стенками. Между тем вода сверху просачивается псе глубже и глубже (потому что скважины, непроницаемые для воздуха, легко проницаемы для воды), и почвенный воздух, таким образом, подвергается сжатию, иногда довольно значительному. Повышение упругости почвенного воздуха при подобных условиях можно осуществить на опыте. Поместивши значительное количество почвы в широкий цилиндр, наливши на ее поверхность воды и наблюдая постоянно, чтобы слой воды был поверх почвы, мы увидим, что сперва воздух из почвы не выделяется, хотя почва будет промочена до значительной глубины. Но затем воздух прорывается через какую-нибудь крупную скважину и выходит тогда со свистом или шумом, разбрызгивая воду: из этого видно, что он выходит из почвы под значительным давлением. В таком состоянии почвенный воздух нс может, однако, оставаться долгое время на значительных пространствах, потому что при естественных условиях в почвах всегда есть более крупные щели, через которые воздух может выходить наружу.

При всех указанных условиях обновление воздуха в почве совершается с большей или меньшей легкостью, в зависимости от свойств самой почвы, обусловливающих более или менее свободное прохождение воздуха, т. е., другими словами, от проницаемости почвы для воздуха. Для изучения условий, оказывающих влияние на это свойство почв, произведено было несколько исследований разными лицами, потому что оно представляет большой интерес не только в сельскохозяйственном, но и в гигиеническом отношении. Мы воспользуемся исключительно исследованиями Аммона, произведенными на сельскохозяйственной физической станции в Мюнхене.

Так как обмен почвенного ноздуха происходит под влиянием температуры и известного давления, то, во-первых, необходимо было исследовать, какое влияние оказывают на скорость прохождения воздуха сквозь почву эти условия.

При исследованиях найдено, что чем выше температура почвы и проходящего сквозь нее воздуха, тем медленнее движется воздух сквозь почву; то же самое замечается и в тех случаях, когда температура почвы остается постоянною, а температура проходящего воздуха различна, и наоборот. Так, при опытах Аммона через песок толщиною слон в 1 м проходило в час литров воздуха:

1. При одинаковой температуре воздуха и почвы

2. При температуре п о ч в ы = 0° и при разных темпер, воздуха.

3. При температуре в о з д у х, а = 0° и при разных темпер, почвы.

Давление, под которым проходит воздух сквозь почву, влияет вообще таким образом, что если оно больше, то и воздух сквозь данную почву проходит больше; но влияние его пе совсем одинаково для крупнозернистых и мелкозернистых почв. Количество воздуха, проходящего через крупнозернистые почвы, при прочих равных условиях, пропорционально давлению, под которым оно проходит; следующий пример относится к песчаной почве:

Для почв, состоящих из очень мелких частиц, соотношение это изменяется; так, например, для суглинка найдены следующие цифры:

Следователь по, для таких почв удвоение давления производит сравнительно небольшую прибавку в количестве проходящего воздуха, но затем равные увеличения в давлении увеличивают количество проходящего воздуха на один п тот же объем.

Увеличение толщины слоя почвы, через которую проходит воздух, замедляет его прохождение; для почв крупнозернистых количество проходящего воздуха, приблизительно, обратно пропорционально толщине слоя; так, например, через песок, при слое вчетверо большем, проходило только 0,28 того количества, какое проходило через слой вчетверо тоньше. У почв мелкозернистых утолщение слоя действует не так сильно; например, через слой суглинка толщиною в 1 м проходило ³/₄ того количества воздуха, какое проходило через слой той же почвы толщиною в ^!/₄ метра.

Понятно, что крупность зерен почвы и ее структура оказывают чрезвычайно сильное влияние на скорость прохождения воздуха, так что, например, при одинаковом давлении и равной температуре в одно' и то же время через порошковатый суглинок проходило 1,62 л воздуха, а через такой же слой того же суглинка в виде комочков от 1 до 2 мм в поперечнике—420,2 л. Вообще, чем почва крупнозернистее* порошковатее и рыхлее, тем легче проходит сквозь нее воздух, и количество проходящего воздуха под влиянием этих условии может изменяться в сотни раз. Само собою разумеется, что это справедливо не только относительно почв, сходных по химическому составу, но и относительно всех вообще. Так как мелкозернистые почвы сравнительно трудно пропускают воздух, то в тех случаях, когда почва состоит из нескольких слоев, проницаемость ее для воздуха определяется преимущественно плотным слоем из мелких частиц.

Содержание в почве воды, как мы видели, может сделать почву даже непроницаемою для воздуха; вообще, можно сказать a priori, что, чем больше в почве воды, тем проницаемость ее для воздуха меньше. Опыты Аммона вполне подтверждают это; но он показал, кроме того, что, если содержание воды в почве незначительно, то такая слабо влажная почва может пропускать воздух лучше сухой почвы; так, например, сухой тончайший песок пропускал при известных условиях 16,8 л воздуха; тот же песок, содержавший 0,4% воды, пропускал при тех же условиях 20,7 л воздуха, а содержащий немного более 0,7% воды— 17,2 л; явление это объясняется тем, что незначительное количество воды сближает частицы почвы н склеивает их в комочки, между которыми остаются скважины, большие, сравнительно с прежними. Кроме того, влажные почвы, как оказалось, неодинаково относятся к воздуху сухому и влажному: влажные почвы лучше пропускают влажный воздух, а сухие почвы—сухой воздух. Следовательно, когда почва влажна, то выходящий из нее влажный воздух проникает сквозь нее легче входящего вместо него сухого воздуха; в почвах сухих выделение и вхождение воздуха совершается с одинаковой скоростью.

Когда замерзает находящаяся в почве вода, то почва становится менее проницаемой для воздуха, как полагают, вследствие того, что воздух при прохождении через неаамерзшую почву может отчасти сдвигать в стороны мешающую ему воду, тогда как со льдом этого он сделать не может. Нужно, однако, заметить, что результатам <�"тнх исследований доверять нельзя, потому что замораживание почвы происходило при искусственных условиях, нс сходных с теми, при которых происходит замерзание почвы в действительности. Ниже мы увидим, что при замерзании почв строение их изменяется так, что почвы должны делаться более проницаемыми для воздуха.

Произрастание растений точно так же принадлежит к числу условий, изменяющих проницаемость почв для воздуха; при опытах Аммона почва свободная пропускала 7,32 л воздуха, а почва с луговым дерном при тех же условиях только 0,61 л. Очевидно, что меньшая проницаемость почвы с растениями обусловливается заполнением почвенных скважин корнями; из этого понятно, что чем больше растений на той же площади и чем корневая система растений обильнее, тем больше уменьшается проницаемость почв для воздуха.

В заключение здесь не излишне будет сделать замечание относительно того, что может ли выделение из почвы воздуха содействовать высыханию почв; надо думать, что воздух, выходящий из почвы, в среднем выводе влажнее воздуха, входящего в почву из атмосферы; но разница не может быть велика. Воздух входит в почву ночыо п утром, когда самый воздух в нижних слоях атмосферы влажен н когда на поверхности почвы находится роса. Выходит воздух из почвы более всего днем, и если почва сверху высохла, то он, прошедшн сквозь такой сухой слой, не может содержать большого количества паров. В прежнее время думали, что высыхание почв в сильной степени обусловливается проницаемостью почв для воздуха, и во многих случаях только на нее и обращали внимание, говоря о высыхании почв. Рассмотрение условий, при которых почвенный воздух обменивается на атмосферный, показывает нам, наоборот, что обмен этот может иметь на высыхание почв очень незначительное влияние.

Затем, пам необходимо сказать здесь несколько слов о положении так называемого испаряющего слоя, о котором мы говорили в одной из предыдущих глав. Очевидно, что такой слой может иметь значение только в том случае, если воздух из этого слоя выносит с собой водяные нары в атмосферу; но это не всегда возможно; количество выходящего из почвы воздуха определяется тем, насколько уменьшится давление атмосферы и насколько увеличится температура почвы. Если изменения эти незначительны, то воздух из влажных слоев почвы может не дойти до поверхности почвы, а только поднимется в верхний слой; при усилении давления п при охлаждении почвы воздух этот опять опустится в нижний слой. Но если бы даже воздух из влажных слоев мог выйти в атмосферу, то он предварительно должен пройти сквозь верхний сухой слой, и, следовательно, количество влаги, выносимой при этом в атмосферу, всетаки будет определиться состоянием верхнего слоя. Таким образом, и здесь мы видим, что значение, приписываемое многими так называемому испаряющему слою, неверно: испарение, во всяком случае, обусловливается только верхним слоем почвы.