Газообмен между почвой и атмосферой является фундаментальным процессом, обеспечивающим устойчивость биосферы и функционирование экосистем. Он включает диффузию, конвекцию и биологически опосредованные механизмы обмена газами, в первую очередь кислородом (O₂), углекислым газом (CO₂), водяным паром (H₂O), а также азотсодержащими соединениями (N₂, N₂O, NO, NH₃) и метаном (CH₄). Динамика газообмена определяется физическими свойствами почвенной среды, климатическими факторами и деятельностью живых организмов.
1. Диффузия. Главный процесс газообмена в почве. Диффузия осуществляется вследствие градиента парциального давления газов между порами почвы и атмосферой. Поскольку концентрация CO₂ в почве выше, чем в воздухе, наблюдается постоянный поток углекислого газа наружу. В то же время кислород диффундирует внутрь почвы, обеспечивая аэробное дыхание корней и микроорганизмов.
2. Конвекция. При изменениях давления или температуры может происходить массовый перенос газов. Например, при быстром нагревании или охлаждении почвы возникают конвективные потоки, ускоряющие газообмен. Влажная почва при интенсивном испарении воды также способствует конвективному движению газов.
3. Биологические процессы. Корни растений и почвенные микроорганизмы активно участвуют в газообмене. Растения поглощают кислород и выделяют CO₂ при дыхании, а также транспортируют газы через систему межклетников. Микроорганизмы участвуют в процессах денитрификации, метаногенеза, нитрификации, изменяя газовый состав почвенного воздуха.
Газовая фаза почвы резко отличается от атмосферы по концентрации ключевых компонентов:
1. Пористость и структура. Газообмен зависит от соотношения между капиллярными и некапиллярными порами. В мелкопористых почвах (глина, суглинок) воздух вытесняется водой, что приводит к анаэробиозу. В песчаных почвах газообмен более интенсивный благодаря высокой воздухопроницаемости.
2. Влажность. С увеличением влажности снижается объем воздушной фазы, уменьшается диффузия кислорода, возрастает содержание CO₂. При полном насыщении водой газообмен почти прекращается, и начинают доминировать анаэробные процессы.
3. Температура. При повышении температуры возрастает интенсивность дыхания корней и микроорганизмов, что увеличивает выделение CO₂. Одновременно температура влияет на вязкость воздуха и скорость диффузии.
Газообмен почвы играет важную роль в глобальном углеродном и азотном циклах. Потоки CO₂ и N₂O из почв являются значимыми источниками парниковых газов, влияющих на климат. В болотах и рисовых чеках формируется крупный источник метана, который имеет высокий парниковый потенциал.
В агроэкосистемах интенсивность газообмена регулируется мелиорацией, обработкой почвы и внесением удобрений. Правильное управление почвенной аэрацией позволяет уменьшить потери азота, снизить выбросы парниковых газов и повысить продуктивность.
Для количественной оценки применяются: