24.3. Повітря

магниевый скраб beletage

У проміжках ґрунту містяться повітря, яке проникає з атмос-фери, а також гази, що утворюються в ґрунті під час біохімічнихпроцесів. Повітря в ґрунті займає всі проміжки, які не зайнятіводою, деяка кількість його розчинена в ґрунтовій волозі і погли-нута колоїдами ґрунту.

Ґрунтове повітря за хімічним складом відрізняється від атмос-ферного. В ньому міститься (у процентах до об'єму): азоту —78,08, кисню — 20,95, вуглекислого газу — 0,03. Крім того, у ґрун-товому повітрі в менших кількостях містяться аргон, гелій, водень,озон, радон. До складу ґрунтового повітря входить водяна пара,кількість якої мало змінюється (від 0 до 4%). Поблизу деякихпромислових підприємств у ґрунтовому повітрі є шкідливі домі-шки — сірчистий газ, хлор, сірководень тощо.

Найважливішими компонентами повітря для життя рослин імікроорганізмів є кисень та вуглекислий газ. Біологічні процесив ґрунті, як правило, пов'язані з витратою кисню і виділеннямвуглекислого газу. Тому ґрунтове повітря від атмосферного від-різняється меншим вмістом кисню і більшою концентрацією вуг-лекислого газу. Вміст кисню в ґрунтовому повітрі становитьвід 20 до 11%.

Вуглекислого газу в повітрі орного шару ґрунту міститься від0,1 до 1%, але найчастіше — 0,8%. Після внесення свіжих орга-нічних добрив вміст вуглекислого газу підвищується до 2, інодідо 7-8%. У деяких випадках під час анаеробного розкладанняорганічних речовин і при недостатньому газообміні в ґрунтовомуповітрі міститься сірководень та метан.

Потреба сільськогосподарських культур у молекулярномукисні для проростання насіння виникає відразу після його посіву.

При тривалому перебуванні в перезволоженому ґрунті насінняпогано проростає, загниває його зародковий корінець.

Якщо газообмін між ґрунтовим та атмосферним повітрям невідбувається, увесь кисень у ґрунті витрачається протягом двохдіб. Максимальне використання кисню коренями рослин спос-терігається у період їх цвітіння. На цей період припадає макси-мальне накопичення вуглекислого газу в ґрунті під посівами жита,пшениці, гороху, буряків, картоплі, конюшини тощо. За нестачікисню в ґрунті корені рослин відмирають внаслідок дії розчин-них у воді окислених сполук ґрунту. Так, нітрати можуть віднов-люватись на нітрити не лише під впливом мікроорганізмів, а йкоренів рослин. При цьому в ґрунті накопичуються відновленісполуки і різко порушується процес живлення рослин.

На нестачу кисню в ґрунті рослини реагують неоднаково,наприклад, злакові менше, ніж бобові. Більш чутливі до нестачікисню картопля, ячмінь, люпин, менш чутливі — гречка, рис. Не-зважаючи на відносно більшу стійкість злакових рослин до не-стачі кисню їх урожай значно знижується. Причиною зниженняврожаю, як правило, є вплив шкідливих закисних сполук, що ут-ворюються в ґрунті при його недостатній аерації.

Кисень необхідний для дихання рослин. Він є джереломенергії, що витрачається при надходженні води і поживних речо-вин у клітини, для росту рослин, синтезу різних сполук тощо.Значна кількість кисню потрібна для життєдіяльності кориснихґрунтових мікроорганізмів. Процес нітрифікації активно протікаєтільки при вільному доступі кисню. Тому нітрифікація активнішевідбувається під час розпушування ґрунту. У перші дні після роз-пушування ґрунту кількість нітрифікуючих бактерій іноді у 5-10разів перевищує кількість їх до його обробітку.

Бульбочкові бактерії, що живуть на коренях бобових рослин,активно використовують молекулярний азот тільки при вільномунадходженні кисню. Фіксація азоту відбувається паралельно звикористанням бактеріями вільного кисню при окисленні різнихджерел вуглецю.

Фіксація атмосферного азоту азотобактером (Azotobacter), щоживе на коренях рослин, знаходиться в прямій залежності відйого дихання. Існує певна залежність між запасом хімічної енергіїу використаній азотобактером органічній речовині і кількістюфіксованого ним азоту (на кожні 4,2 кДж енергії фіксується 2 мгатмосферного азоту).

Кисень необхідний також для мікроорганізмів, що берутьучасть у живленні культурних рослин. Мікориза та багато мікробівприкореневої зони тісно пов'язані у своїй життєдіяльності з ви-щими рослинами, є аеробними організмами і потребують наяв-ності в ґрунті кисню.

Вищі рослини по-різному реагують на наявність вуглекислогогазу в атмосферному і ґрунтовому повітрі. При концентрації СО2в ґрунтовому повітрі понад 1% деякі культурні рослини виявля-ють ознаки отруєння. Водночас підвищення концентрації СО2 ватмосферному повітрі понад 1% сприяє збільшенню врожаю. Длябагатьох рослин встановлена пряма залежність асиміляції відпідвищення вмісту СО2 в повітрі.

Запас вуглекислого газу в повітрі становить близько 600білліонів тонн вуглецю, причому з цього запасу рослини земноїкулі щорічно використовують близько 19 білліонів тонн. Томутільки при сталому поверненні СО2 в атмосферу відбувається кру-гообіг його в природі і забезпечується життєдіяльність рослин.Нестача СО2 в повітрі компенсується за рахунок вуглекислогогазу, що виділяється з ґрунту, з океану та при диханні різнихорганізмів.

Трав'янисті рослини використовують СО2 насамперед з при-земного шару повітря, де його концентрація вища. За рахунокґрунтового СО2 швидше відновлюється нестача СО2 в нижніхшарах атмосфери. Ця нестача СО2 в денні години легко компен-сується вночі, коли рослини його не використовують. При зни-женні температури вночі зменшується і продукування СО2 вґрунті. Проте вночі рослини не використовують СО2, а, навпаки,виділяють його під час дихання, крім того, СО2 виділяється з ґрун-ту. Тому денні витрати СО2 відновлюються, що сприяє сталомугазообміну між ґрунтовим та атмосферним повітрям.

У ґрунті СО2 накопичується переважно під час життєдіяльностімікроорганізмів і кореневої системи рослин. Якщо коренева сис-тема культурних рослин дуже чутлива до високої концентрації СО2в ґрунті, то мікроорганізми відносно легко її витримують. Амонійта нітрифікуючі бактерії припиняють свою життєдіяльність привмісті СО2 понад 30%. При внесенні переважно органічних доб-рив, що містять калій, фосфор, сірку, життєдіяльність ґрунтовихбактерій посилюється і виділення СО2 збільшується. УтвореннюСО2 сприяють також теплота, рівномірна вологість (приблизно40% повної вологоємкості ґрунту), розпушування ґрунту, одно-часне внесення органічних та мінеральних добрив.

Найбільша кількість СО2 утворюється у верхніх шарах ґрунту, дебільше мікроорганізмів і активність їх вища. На глибині 20-30 смкількість бактерій в 1 г ґрунту зменшується у 3-10 разів, а наглибині понад 1 м — зменшується ще більше. Незважаючи на тещо найбільша кількість СО2 спостерігається у верхніх шарах ґрун-ту, концентрація його в більш глибоких шарах часто буває над-лишковою, тому що газообмін там значно сповільнений. Привологості ґрунту, нижчій за максимальну гігроскопічність, ґрун-тове повітря поглинається колоїдними часточками. Поглинутеповітря характеризується меншою рухомістю, ніж вільне. Кількістьповітря, поглинутого сухим ґрунтом, у різних ґрунтах неоднако-ва. Поглинання ґрунтом молекул газів залежить від ступеня зво-ложення ґрунту, температури (з підвищенням температури по-глинання зменшується), тиску (з підвищенням тиску поглинанняпідвищується), хімічного складу ґрунтових колоїдів, хімічноїприроди газів. Найінтенсивніше поглинаються водяна пара,потім вуглекислий газ, кисень, азот.

Крім вмісту вільних і поглинутих газів у ґрунті ґрунтова вологамає розчинені в ній гази. Вони переходять з ґрунтового розчинув повітря або знову розчиняються в ньому. Найактивнішими єкисень та вуглекислий газ. Із зниженням температури ґрунтовоїводи розчинність кисню та вуглекислого газу збільшується.Вільний кисень у ґрунтовому розчині є окислювачем і тому береучасть в окислювально-відновних реакціях та у формуванні вро-жаю. Розчинний у ґрунтовій воді СО2 сприяє перетворенню важ-корозчинних солей на більш доступні для рослин сполуки.

Повітряний режим — це зміна кількості і складу повітря вґрунті за певний час. Кількість повітря в ґрунті (повітроємкість)залежить від загальної пористості та ступеня заповненості порводою. Повітроємкість — це різниця між загальною пористістюі вологістю (в процентах від об'єму ґрунту). Капілярні пори част-ково або повністю бувають заповнені водою, а в проміжкахбільшого діаметра (некапілярних) утримуватися вода не може іпід дією сили гравітації стікає вниз. Об'єм некапілярних щілин (упроцентах від загального об'єму ґрунту) — це некапілярна по-ристість, яка становить частину повітроємкості ґрунту. Вона підви-щується після розпушення ґрунту у зв'язку із збільшеннямпроміжків між його грудочками. Отже, повітряний режим, пов'я-заний з водним режимом ґрунту, можна регулювати на ґрунтах,що мають міцну дрібногрудочкувату структуру (0,25-10 мм). По-вітря, що переміщується в проміжках ґрунту, аерує його. Протенадлишок вологи (близької до повної вологоємкості або вищоївід неї) призводить у певних умовах до появи пор з повітрям,які защемлені водяними пробками. У таких порах за відсутностігазообміну збільшується вміст СО2, а кисень використовуєтьсямікроорганізмами та коренями рослин. Це явище спостерігаєть-ся, як правило, в ущільнених шарах ґрунту, проте після висихан-ня його водяні пробки зникають, ґрунтові пори відкриваються ізаповнюються повітрям.

Ґрунтове повітря взаємодіє з твердою і рідкою фазами ґрунту.Воно може заповнювати вільні від води пори чи щілини або бутипоглинутим колоїдними часточками й утримуватись в ґрунтово-му розчині. Склад ґрунтового повітря залежить від біологічнихпроцесів, що відбуваються в ґрунті, та від активності газообмінуз атмосферним повітрям. У ґрунтах, які мають значну пористістьі характеризуються достатньою повітроємкістю та повітропро-никністю, легко відбувається обмін між ґрунтовим і атмосфер-ним повітрям.

Для оновлення ґрунтового повітря необхідні такі фактори:дифузія газів — тепловий рух молекул для зменшення їх концен-трації; коливання атмосферного тиску, при підвищенні якого ат-мосферне повітря надходить у ґрунт, а при зменшенні виділяєтьсяз ґрунту; зміна температури, коли вдень ґрунтове повітря на-грівається, розширюється і частково виходить з ґрунту, а вночіохолоджується, стискається і атмосферне повітря надходить уґрунт; зміна вологості ґрунту під час опадів та зрошення, колиповітря витісняється водою або надходить у ґрунт при викорис-танні вологи коренями та випаровуванні; газообмін на полях, незайнятих рослинами, внаслідок дії вітру. В реальних умовах полязавжди виявляється комплексна дія цих факторів.

Для поліпшення повітряного режиму ґрунту треба проводититакі заходи: постачати ґрунт достатньою кількістю повітря, узгод-жувати зміну вологості ґрунту і повітряного режиму, забезпечу-вати належний газообмін між ґрунтом та атмосферою; поліпшу-вати склад приземного шару повітря, регулювати правильнеспіввідношення в ґрунті між аеробним і анаеробним процесами.

На полях після вирощування рослин спостерігається частко-ве розпилення та ущільнення ґрунту, що призводить до зменшен-ня його повітроємкості і потребує поліпшення аерації. При підви-щенні кількості повітря збільшується пористість ґрунту. У добреобробленому дрібногрудочкуватому ґрунті повітрям заповненінавіть некапілярні щілини.

У різних ґрунтово-кліматичних зонах забезпеченість кореневоїсистеми рослин водою та повітрям неоднакова. Так, на Поліссівона краща, ніж на півдні Степу. Тому в умовах Полісся в ґрунтіповинно бути більше некапілярних щілин (понад 50% загальноїпористості), а в умовах Степу — менше 50% загальної пористості.

На газообмін у ґрунті впливає також наявність на полі рос-линності. На відкритих полях і при відносно рідкому стоянні рос-лин газообмін посилюється під час дії вітру на верхній шар ґрун-ту, внаслідок чого повітря в приземному шарі переміщуєтьсякраще, особливо на ґрунтах, що мають велику некапілярну по-ристість. Крім того, рослинність впливає на коливання темпера-тури ґрунту, а отже, і на інтенсивність у ньому газообміну.

Для поліпшення повітряного режиму ґрунту особливу увагузвертають на збагачення ґрунту органічними речовинами, потре-бу у вапнуванні кислих та гіпсуванні солонцюватих ґрунтів, гли-бину оранки плугами з передплужниками, своєчасність та якістьобробітку ґрунту знаряддями, заходи для поглиблення орногошару, правильне використання сівозміни з відповідною системоюобробітку ґрунту та застосування добрив, впровадження науко-во обґрунтованого комплексу заходів для меліорації ґрунтів.

24.4. Теплота

За відношенням до теплоти різні рослини мають свої особ-ливості, які треба враховувати при доборі культур для вирощу-вання в окремих зонах землеробства, визначенні строків сівби.Відразу після сівби необхідна певна температура ґрунту для про-ростання і подальшого розвитку насіння (табл. 63).

Температура ґрунту позитивно впливає на ріст коренів рослин.Більш розвинута коренева система рослин краще використовує

Таблиця 63

Мінімальні температури для проростання насіння і появисходів різних культур

Культура

Температура, °С

проростаннянасіння

появи сходів

Пшениця, жито, ячмінь, овес, ко-нюшина, люцерна, вика яра, го-рох, сочевиця, гірчиця, коноплі

0-1

2-3

Буряки, люпин, льон, гречка, кор-мові боби

3-4

6-7

Картопля, соняшник

5-6

8-9

Кукурудза, просо, соя, могар, су-данська трава

8-10

10-11

Сорго, квасоля

10-12

12-13

Рис, арахіс, бавовник

12-14

14-15

вологу та поживні речовини з ґрунту. При значному підвищеннітемператури інтенсивність дихання рослин зростає, внаслідокчого порушується процес асиміляції і відбувається непродуктив-на витрата органічної речовини, в зв'язку з чим наростання масирослин зменшується.

Встановлено, що не лише низькі температури ґрунту, а й ви-сокі (вище певної межі) є несприятливими для розвитку рослин.Найсприятливішим виявилось підвищення температури ґрунту привирощуванні пшениці до 30°С, жита — до 20, ячменю — до 25°С.

У зв'язку з тим що в ґрунті міститься значна кількість кориснихмікроорганізмів, треба знати вплив на них температури навколиш-нього середовища. Як високі, так і низькі температури мікроорга-нізми витримують неоднаково. Згубними для них є високі темпе-ратури, а низькі — тільки призупиняють їх життєдіяльність. Дляжиттєдіяльності ґрунтових мікроорганізмів сприятливими є неве-ликі коливання температури ґрунту. Це характерно для високоо-культурених ґрунтів з великим вмістом органічних речовин.

До теплових властивостей ґрунту належить: поглинання теп-лової енергії, відбиваюча здатність, теплоємкість, теплопровідність,температуропровідність, тепловипромінювання. Теплові власти-вості ґрунту залежать насамперед від співвідношення у ньому води,повітря та твердої частини, а також хімічного та гранулометрич-ного складу, кольору, ступеня затінення тощо. На практиці частодоводиться рахуватися з впливом вологості ґрунту на його теп-лові характеристики. Водночас температура змінює термічні по-казники ґрунту протягом усього року на 20%, а пористість — на50% (у деяких випадках вологість зменшує їх у 10-15 разів).

У землеробстві для поліпшення теплового режиму ґрунту за-стосовують такі заходи: обробіток, снігонакопичення, снігороз-поділ, регулювання танення снігу, різні способи та норми висівунасіння, чергування рослин у сівозміні, застосування системидобрив тощо.

Важливим джерелом теплоти для ґрунту є сонячна радіація.Надходження її у ґрунт змінюється залежно від часу доби ташироти, стану атмосфери — її щільності, хмарності, наявностітуману, пилу і т.п. Істотним джерелом теплоти в ґрунті є виділен-ня її мікроорганізмами в процесі їх життєдіяльності. Утвореннятеплоти за цих умов зумовлюється неповним використанняменергії, окисленням органічних речовин під час різних процесіву клітинах. На внутрішньоклітинні процеси затрачається 15-50%загальної кількості перетвореної мікробами енергії, а решта їїнадходить у навколишнє середовище у вигляді теплоти. Усі іншіджерела теплоти для ґрунту (наприклад, теплота змочування,внутрішня теплота земної кулі, випадання теплого дощу) маютьневелике значення.

Надходження теплоти в ґрунт і її витрати забезпечуються ба-гатьма фізичними явищами. Тому до основних критеріїв теплово-го балансу відносять: радіаційний баланс — суму прямої і розсія-ної сонячної радіації, крім відбиваючої радіації та ефективноговипромінювання, проникнення теплоти у більш глибокі шари ґрунтута проникнення теплового потоку з глибини до поверхні (тепло-обмін у ґрунті). Спрямованість цих потоків у ґрунті неоднаковапротягом доби і змінюється по сезонах, теплообмін ґрунтової по-верхні з повітрям відбувається переважно внаслідок термічноїконвекції. Коефіцієнт обміну залежить, зокрема, від стану поверхніґрунту, напряму вітру, градієнта температури повітря і землі; теп-лоти випаровування — витрат теплоти на випаровування або ви-ділення його під час конденсації водяної пари та утворення інею;теплообміну з ґрунтовою поверхнею повітря при горизонтально-му переміщенні над ґрунтом. Різниця температур повітря та по-верхні ґрунту сприяє його прогріванню або охолодженню.

Найбільші зміни температури повітря протягом доби та за ріквідбуваються у верхньому шарі ґрунту. Добові коливання темпе-ратури у весняно-літній період досягають глибини 70-100 см, алепомітно нівелюються уже на глибині понад 20 см. Ці коливаннянеоднакові у різних зонах та на різних типах ґрунтів. Річні коли-вання температури залежно від широти і температуропровідностіґрунту можуть досягати глибини 5 і більше метрів. Узимку наглибині 60-100-150 см температура ґрунту залишається вищою,ніж у верхніх його шарах.

Велике значення для озимих культур має промерзання і роз-мерзання ґрунту. Глибина промерзання ґрунту залежить від ба-гатьох причин і насамперед від товщини снігового покриву, силита тривалості морозів. На півдні ґрунти промерзають на глибину10-15 см, на півночі — 30-80-100 см. Занадто глибоке промер-зання ґрунту негативно впливає на розвиток культурних рослин.

Умови, які сприяють накопиченню і збереженню води вґрунті, одночасно є умовами задовільного повітряного і тепло-вого режимів. Структурні ґрунти, достатньо пухкі, характеризу-ються доброю аерацією, менше нагріваються при високих тем-пературах, а при низьких — повільніше охолоджуються, маютьдобру вологоємкість, водопроникність і повітроємкість. Високавологість ґрунту та добра аерація створюють помірний його теп-ловий режим.

Із підвищенням температури зменшується поверхневий на-тяг води і поліпшується її капілярний рух. Висушування ґрунтузбільшує коагуляцію колоїдів і поліпшує його агрегатний стан.Зміна температури збільшує (під час охолодження) або зменшує(під час нагрівання) розчинність вуглекислого газу і кисню в ґрун-товій воді, змінюючи таким чином повітряний режим. При про-мерзанні ґрунту вода в ньому розподіляється і піднімається доверхніх шарів. Тому водний, повітряний, тепловий і поживнийрежими тісно пов'язані між собою і на високоокультурених ґрун-тах з добрими фізичними властивостями відповідають вимогамсільськогосподарських культур.

Надходження сонячної енергії до поверхні ґрунту регулюватидосить важко. Проте можна змінювати розподіл теплоти в ґрунті.Збільшуючи або зменшуючи температуру верхніх шарів ґрунту,можна регулювати тепловий режим інших його шарів. Зміна тем-ператури ґрунту в бажаному напрямі досягається регулюваннямводного і повітряного режимів, а також збагаченням його орга-нічними речовинами та підтримуванням у певному фізичномустані. Доступним для виробництва заходом з регулювання теп-лового режиму ґрунту є снігозатримування. Озимі культури доб-ре зимують при неглибокому промерзанні ґрунту і температуріне нижче -10...12°С і не вище — 5°С Оптимальна глибина снігово-го покриву на півдні 20 см, а на півночі до 70 см. За допомогоюснігозатримування відбувається накопичення снігу і рівномірниййого розподіл на поверхні поля. Прискорюючи (затемнення) абоуповільнюючи (ущільнення) танення снігу, можна регулювати тем-пературний режим ґрунту та забезпечувати накопичення в ньо-му води.

Полезахисне лісонасадження поліпшує тепловий режим ґрун-ту, сприяє накопиченню снігу і рівномірному розподілу його наполях, послаблює взимку дію холодних, а влітку гарячих вітрів тасуховіїв. Для підвищення температури ґрунту проводять йогомульчування, а для більш швидкого прогрівання в умовах дос-татнього та надлишкового зволоження здійснюють гребеневі тагрядкові посіви. Для кращого прогрівання гребенів їх формуютьу напрямі із сходу на захід. Крім того, для поліпшення темпера-турного режиму холодні вологі ґрунти треба осушувати.

Контрольні запитання

Фактори, необхідні для життя рослин. Космічні та земні факторижиття.

Основні закони землеробства. Використання законів землероб-ства в умовах виробництва.

Значення води в житті рослин. Форми та категорії ґрунтової води,її доступність для рослин та переміщення в ґрунті.

Випаровування води з ґрунту. Шляхи регулювання водного ре-жиму в різних ґрунтово-кліматичних зонах України.

Роль світла в житті рослин та ґрунту.

Використання рослинами сонячної енергії. Шляхи регулюваннясвітлового режиму в посівах сільськогосподарських культур.

Значення атмосферного та ґрунтового повітря в житті рослин тамікроорганізмів.

Аерація ґрунту.

Повітропроникність та повітроємкість ґрунту.

Заходи для регулювання повітряного режиму ґрунту та цирку-ляції повітря у посівах сільськогосподарських культур.

Роль теплоти в житті рослин та мікроорганізмів.

Механізми надходження та витрати теплоти ґрунтом.

Теплоємкість та теплопровідність ґрунту. Тепловий режим ґрун-ту та способи його регулювання.