Czynniki powodujące niedostateczną zawartość powietrza w glebie

Skład powietrza glebowego, szczególnie pod względem zawartości dwutlenku węgla, jest zmienny. Ilość CO2 zawarta w danym momencie stanowi różnicę między ilością wytwarzaną w glebie w jednostce czasu, a ilością uchodzącą do atmosfery w tymże czasie w wyniku wymiany gazowej z atmosferą. Stężenie zaś tlenu należy rozpatrywać jako różnicę między jego ilością wnikającą do gleby z atmosfery, a zużytą przez mikroorganizmy i korzenie roślin w jednostce czasu. Gdy wytwarzanie CO2 w glebie przewyższa jego odpływ, wówczas zwiększa się jego zawartość w powietrzu glebowym. Podobnie w wypadkach, kiedy zużycie tlenu przewyższa jego dopływ z atmosfery, powietrze glebowe ubożeje w tlen. Należy zatem uwzględniać wszystkie złożone powiązania wymienionych procesów i wzajemną ich zależność.
Wszystkie procesy przyczyniające się do polepszenia przewietrzania gleby jednocześnie prowadzą do zmniejszania zawartości dwutlenku węgla i zwiększenia zawartości tlenu w powietrzu glebowym. Kiedy stosunki powietrzne w glebie są normalne, suma procentowej zawartości dwóch gazów (CO2 i O2) zbliża się do wielkości stałej, odpowiadającej zawartości tlenu w powietrzu (~ 21%). Znaczące odchylenie od wielkości tej sumy z reguły świadczy o niedostatecznym przewietrzaniu. W glebach ornych zawartość dwutlenku węgla w powietrzu glebowym nie przekracza zwykle kilku dziesiątych procentu, więc oczywiście nie może być przyczyną hamowania zachodzących w glebie procesów biologicznych.
Inny obraz obserwuje się w glebach ornych po obfitych deszczach lub deszczowaniu w okresie wegetacji roślin. W takim wypadku zawartość dwutlenku węgla w powietrzu glebowym może szybko wzrosnąć i taki nienormalny stan może się utrzymać dopóty, dopóki przeważająca część porów glebowych będzie zajęta przez wodę. Nierzadko trwa to przez 2 – 3 dni.
Należy tu także podkreślić , że wprowadzenie do gleby nawozów organicznych w zwykle stosowanych dawkach nie wpływa zbyt długo na zmianę składu powietrza glebowego. Niektórzy badacze skłonni są rozpatrywać to zjawisko jako następstwo dwóch przeciwstawnych procesów: przyspieszania wytwarzania dwutlenku węgla w wyniku rozkładu wprowadzonego materiału organicznego z jednej strony i wzrostu przewiewności wskutek poprawy warunków fizycznych w glebie z drugiej strony.
Kiedy w glebie zaznacza się wzrost zawartości wody, a sposób użytkowania danego pola powoduje zwiększanie jej gęstości, nagromadzają się znaczne ilości dwutlenku węgla w powietrzu glebowym ( do 3 – 7% i więcej).
M.T. Jastriebow badał skład powietrza glebowego w wielu glebach pod roślinnością naturalną.


Z danych tej tabeli wynika, że w glebie darniowo-bielicowej o przeciętnej wilgotności skład powietrza glebowego w warstwie do 25 cm głębokości jest zupełnie prawidłowy; zawartość dwutlenku węgla nie przekracza 0,5% a tlenu wynosi około 20%. W glebach nadmiernie wilgotnych zawartość dwutlenku węgla wynosi 1 – 2%, a tlenu spada do 19,5%. W silnie uwilgotnionych glebach torfowo-glejowych zawartość CO2 dochodzi do 7%, a tlenu – zmniejsza się do 13,6%.
W normalnych warunkach uwilgotnienia skład powietrza glebowego wynosi przeciętnie 0,2 – 0,5% CO2 i 20,5% O2. Jeśli gleba jest pokryta roślinnością, to w powietrzu glebowym znajduje się więcej dwutlenku węgla, a mniej tlenu. Po usunięciu zaś pokrywy roślinnej skład powietrza glebowego wraca do stanu normalnego.
Długotrwałe i szczegółowe badania zawartości dwutlenku węgla w czarnoziemach przeprowadziła W.B. Mackiewicz, stosując przy pobieraniu próbek powietrza glebowego i analizie niezawodną metodykę. Próbki powietrza glebowego pobierano w warunkach polowych do hermetycznie zamykanych biuret typu Lafreta o pojemności 25 – 50 cm3. Badania były prowadzone w Strzeleckim Stepie w ciągu dwóch lat. Z otrzymanych przez autorkę danych wynika, że w warstwie 0 – 20 cm zawartość dwutlenku węgla nie przekracza 0,2%, a na głębokości 1 metra w rzadkich wypadkach dochodzi do 0,6%. Tylko w warstwach leżących blisko wód gruntowych zawartość CO2 szybko wzrasta i dochodzi do 2,4%. Autorka podkreśla, że zawartość CO2 w powietrzu glebowym zwiększa się począwszy od wierzchnich warstw gleby do coraz głębszych jej warstw. Maksimum zawartości CO2 w powietrzu glebowym występuje w latach wilgotnych, gdy stosunkowo duże są zasoby wilgoci zimowej. Większe stężenie dwutlenku węgla stwierdza się także w glebie pod drzewami w porównaniu z jego zawartością w glebie porośniętej roślinnością zielną. Należy jednak podkreślić, że również pod lasem w wierzchniej półmetrowej warstwie gleby zawartość CO2 w powietrzu jest niewielka i dochodzi tylko do 0,6%.
Liczne dane dotyczące zawartości dwutlenku węgla w powietrzu glebowym nawadnianych i nie nawadnianych szaroziemów uzyskała F.J. Melcer. Stwierdziła ona, że przed nawadnianiem utrzymuje się w glebie mała zawartość CO2, uwarunkowana prawdopodobnie dużym jego odpływem. Po każdym nawodnieniu następuje skokowy wzrost zawartości CO2 w glebie.
Mimo znacznych różnic występujących w składzie powietrza rozmaitych gleb wykazano istnienie bardzo ważnej ogólnej prawidłowości, polegającej na tym, że w glebach ornych, nawet w warunkach sprzyjających wytwarzaniu CO2 gromadzi się go w glebie stosunkowo mało i tylko w nader rzadkich wypadkach jego zawartość wynosi 1 – 5% objętości powietrza glebowego. Zasadniczą przyczyną takiego stanu rzeczy jest niewątpliwie dość duży odpływ CO2 z gleby i dopływ do niej odpowiedniej ilości tlenu.

Szczególna właściwością gleby jest je stan rozpuszczenia. Absolutnie sucha gleba składa się ze stałych cząstek mineralnych i organiczno-mineralnych, między którymi wolne przestrzenie, czyli pory są wypełnione powietrzem. Jednak taki przypadek można uważać za hipotetyczny, ponieważ prawie zawsze w glebie znajduje się pewna ilość wody. Objętość porów zajętych (w tych warunkach) przez powietrze w stosunku do całkowitej objętości gleby nazywamy ogólną porowatością gleby. Można ją wyrazić w postaci ułamka, jednak z reguły podaje się ją w procentach objętości gleby. Jak już wiemy, w bardzo luźnych glebach i skałach glebotwórczych może ona wynosić mniej niż 25%.
Z reguły część porów glebowych zajmuje woda i dlatego sumaryczna objętość porów powietrznych jest znacznie mniejsza od objętości wszystkich porów w glebie. Część objętości porów w wilgotnej glebie zajętą przez powietrze nazywamy porowatością wolną (niekapilarną), czyli pojemnością powietrza. Oczywiście pojemność powietrzna jest mniejsza od ogólnej porowatości o objętość zajętą przez wodę.
Skład objętościowy normalnego powietrza atmosferycznego jest następujący: azot – 78,08%, tlen – 20,95%, dwutlenek węgla – 0,03%, argon – 0,93%, natomiast na neon, krypton, ksenon, ozon, radon i wodór przypada zaledwie 0,01%. Pod wpływem zachodzących w glebie procesów skład powietrza glebowego ulega nieustannym zmianom. Największe zmiany w składzie powietrza glebowego zachodzą pod wpływem działalności mikroorganizmów glebowych i korzeni roślin wyższych. Drobnoustroje zużywają znaczne ilości tlenu i wytwarzają dwutlenek węgla. To samo dotyczy systemów korzeniowych roślin. W pewnych warunkach niektóre mikroorganizmy, rozkładając węglowodany, wytwarzają oprócz dwutlenku węgla także metan:

C6H12O6 → 3 CO2 + 3CH4

Według obliczeń I.W. Tiurina sucha masa drobnoustrojów wynosi 1 tonę na 1 ha, a w rzadkich wypadkach może stanowić nawet 1% masy próchnicy. Jednak w większości wypadków masa ta wynosi dziesiąte części procentu. Sama gleba w znacznym stopniu jest produktem działalności życiowej drobnoustrojów.
Im wyższy jest poziom aktywności bakterii, tym większe jest zużycie tlenu i tym więcej wytwarza się dwutlenku węgla. Znane są doświadczenia z wprowadzeniem do gleby substancji organicznych (np. skrobi) jako materiału pokarmowego dla drobnoustrojów, w wyniku czego zawartość tlenu szybko spada.
Według danych L.G. Romella przy 15C z 1 m2 powierzchni gleby wydziela się 10 l dwutlenku węgla. W południowej Szwecji z gleby pod roślinnością leśną w lipcu w ciągu doby wydziela się 2,8 l CO2 na m2. Romella obliczył, że gdyby dwutlenek węgla nie ulatniał się z gleby, to jego stężenie w 20-cenymetrowej warstwie podwoiłby się w ciągu 1,5 godziny, a po upływie 14 godzin zwiększyłoby się 10-krotnie.
Intensywność procesu wytwarzania dwutlenku węgla i zużycia tlenu w dużej mierze zależy od temperatury gleby, ponieważ wpływa ona na temp. procesów życiowych mikroorganizmów. Szybkość powstawania w glebie dwutlenku węgla i zużywania tlenu zmienia się nie tylko w okresie lata, ale nawet w ciągu doby. Zależy ona także od wilgotności gleby, zmniejsza się bowiem lub nawet całkowicie zostaje zahamowana w suchej glebie. Szczególnie dużą rolę w zużywaniu tlenu i wytwarzaniu dwutlenku węgla odgrywają rośliny wyższe. Stwierdzono , że w glebie otaczającej korzenie roślin znajduje się więcej CO2 niż w glebie pod łubinem.
Można stwierdzić, że w glebie przebiega ciągły proces powstawania dwutlenku i zmniejszania się zawartości tlenu. Jeśliby więc wszystek powstający dwutlenek węgla pozostawał w glebie, to stosunkowo szybko wyczerpałaby się zawartość tlenu z powietrza glebowego i całą objętość zajętą przez tlen zająłby dwutlenek węgla. Według danych L. Romella, potwierdzonych przez Innych badaczy, dla zachowania normalnego składu powietrza glebowego w warstwie 0-20 cm całkowite jego odnowienie powinno następować co godzinę. Jeśli to jest niemożliwe zawartość tlenu w powietrzu glebowym będzie się zmniejszać, a dwutlenku węgla – zwiększać. W naturalnych warunkach takiego zjawiska nie obserwuje się, lub występuje ono tylko w rzadkich wypadkach. Przyczyną tego jest nieustannie zachodzący proces odpływu tlenu z powietrza atmosferycznego do glebowego. Opisane procesy zachodzą w wyniku wymiany gazów między powietrzem glebowym i atmosferycznym. Należy także pamiętać, iż – w miarę spadku zawartości tlenu i zwiększenia stężenia CO2 w powietrzu glebowym – procesy uwalniania CO2 ulegają zahamowaniu i szybkość ich silnie spada.

Zawartość tlenu i dwutlenku węgla w powietrzu glebowym jest ważnym czynnikiem decydującym o aktywności mikroorganizmów glebowych. Zarówno bowiem aktywność drobnoustrojów, jak i procesy wzrostu i plonowania roślin wyższych są ściśle związane ze składem powietrza glebowego. Jednak przy całej ważności omawianych zagadnień w piśmiennictwie brak jest dotychczas ilościowych wskaźników tej zależności. Niewiele bowiem jest danych dotyczących rozpatrywanych zależności, a zwłaszcza danych uzyskanych w kontrolowanych warunkach, np. w komorach klimatyzowanych, fitotronach i innych urządzeniach, gdzie dokładnie można regulować warunki życia mikroorganizmów i roślin wyższych. Takie dane zaczęto gromadzić dopiero w ostatnich czasach.

Według danych W.A. Nowikowi powietrze glebowe zawiera 7-12% tlenu; jednak zawartość taka występuje tylko w dobrze uprawianych, strukturalnych glebach. Taka zawartość tlenu w glebie umożliwia korzeniom intensywne oddychanie, dobry wzrost i aktywne pobieranie składników mineralnych. W ciężkich, słabo przewietrzanych glebach gliniastych, w których zawartość tlenu wynosi zaledwie 1-2%, korzenie rosną bardzo wolno, pobierają mało wody i substancji pokarmowych, wskutek czego i wzrost nadziemnych części roślin jest powolny, albo w ogóle zostaje zahamowany. Stąd wniosek, że niedobór tlenu w glebie silnie ogranicza wzrost roślin.

Bardzo ciekawe doświadczenia przeprowadzili w Instytucie Agrofizyki P.W. Wierszynin i N.W. Kirilenko w celu poznania wpływu powietrza glebowego na wzrost bawełny. Doświadczenie przeprowadzono w kulturach wazonowych w szklarni. Do gleby wprowadzono mieszaninę gazów o znanym składzie, mianowicie o zwiększonej zawartości dwutlenku węgla kosztem zmniejszenia zawartości azotu. Doświadczenie wykazało, że w takich warunkach wyraźnego osłabienia wzrostu bawełny nie obserwuje się nawet przy 30%-owej zawartości CO2 w mieszaninie gazów.
Reakcja roślin na zawartość tlenu w powietrzu glebowym przejawia się wyraźnie w doświadczeniach ze zmiennymi temperaturami gleby. Należy pamiętać, że zawartość w powietrzu glebowym znacznej ilości dwutlenku węgla może odbijać się nie tylko bezpośrednio na procesach biologicznych, ale i wpływać na warunki życia drobnoustrojów pośrednio, powodując zmiany w odpowiednich procesach glebotwórczych.
Badanie składu powietrza glebowego sprawia duże trudności, ponieważ konieczne jest przedtem wykonanie co najmniej dwóch czynności: pobranie próbki powietrza z gleby, przeprowadzenie analizy tej próbki na zawartość tlenu i dwutlenku węgla. Podczas dokonywania tych czynności skład badanego powietrza glebowego nie powinien ulec zmianie. W każdym razie przy pobieraniu próbki powietrza glebowego należy zapobiegać przedostawaniu się do niej powietrza z innych warstw gleby, a szczególnie z atmosfery. Na tym właśnie polega zasadnicza trudność przy wykonywaniu tej czynności.

Skład powietrza w danej warstwie gleby w danym momencie ustala się w wyniku dwóch procesów, wprawdzie odrębnych, ale powiązanych ze sobą ilościowo. Przebiegające w glebie procesy, w wyniku których jest zużywany tlen i wytwarzany dwutlenek węgla – w zasadzie niczym istotnym nie różnią się od powszechnych w przyrodzie procesów oddychania. W skutek oddychania otaczające środowisko traci tlen i wzbogaca się w dwutlenek węgla. Jest zrozumiałe, iż w układzie zamkniętym proces taki nie może zbyt długo zachodzić, nie tylko dlatego, że całkowite zużycie tlenu wstrzymuje go, ale i dlatego, że nagromadzenie produktów oddychania, a przede wszystkim dwutlenku węgla hamuje ten proces, a przy pewnym poziomie tych produktów nawet zupełnie zatrzymuje.