Топырақтағы газ тасымалдану диффузиясы

Жигитова С.З., Кошан М., Нүрлыбек Ұ., Абиров О., Шеңгелбаев Т.

Топырақтағы газдардың диффузиялық тасымалдануы көбінде газ түрінде және кейде сұйық түрінде де болады. Диффузия ауамен толықтырылған қуыстарда газ алмасу атмосфера мен топырақ арасында қалыптасады, ал сулы қабаттармен диффузия өсімдіктің тамырларындағы гидратталған тірі бөлшектерін оттегімен қамтамасыз етіп және оларды көмірқышқылдарынан арылтады.

Екі жағдайда да диффузия процесін Фик заңымен сипаттауға болады:

мұндағы: q_d - ауаның диффузия ағыны (диффузия бірлігінен ауданның уақыт бірлігіндегі массасы); D - сіңірілу коэффициенті (аудан өлшемінің уақытқа қатынасы); С - концентрация (көлем бірлігіндегі диффузия субстанциясының массасы); х - арақашықтық; dx - концентрация градиенті.

Егер шоғырлану орнына диффундирлеу құрауыштарының парциальды қысымын қолданатын болсақ, онда келесі теңдеуді аламыз:

мұндағы: β - парциальды қысымның шоғырлануға қатынасы.

Алдымен ауа фазалары және газ диффузиясы жолдары аймақтарын қарастырамыз.

Топырақтағы газ диффузиясының коэффициенті D олардың ауадағы диффузиякоэффициентінен D_o аз болады, себебі топырақ бөлшектері газ диффузиясына қолайлы ауданның қиғаш қимасының әсерлілігін төмендетеді. Топырақта бұл аудан ауамен толықтырылған ауданға тең. Бұл ауамен ауаландыру аймағымен, яғни ауаландыру аймағымен ε_α толықтырылған. Сонымен газ алмасу бөлшектер нашар дамыған жүйеде және олардың ағыны ирек жолдармен өзгеруіне алып келеді, осыған сәйкес қарсылық келтіреді, ол b коэффициентімен анықталады. Сонымен, =bε₀, немесе D_s =.Түрлі ғалымдар D_s /D_o және ε_α арасынан түрлі қатынасын тапқан.

Пепман (1940) D_s /D_o =0,66 ε_α тапқан. Мұнда 0,66 – иірімділік коэффициенті, топырақтағы диффузия жолының шамамен 2/3 ұзындығының орташа жолын құрайды.

Блейк және Пейдж (1948) шамамен ауаландырудың 10% төмен ауа көлемінде топырақтың агрегирленуі D_s нольге жақындайтындығын және D_s /D_o арасындағы қатынас және ε_α ауаландыру аймағының өзгеруі 0,62-ден 0,8-ге дейін өзгеретіндігін тапты.

Бұл құбылысты олар кеуектердегі тежегіш ауа тасмалдаумен байланыстырды.

Маршалл (1959) топырақ кеуектілігінің пішіні, диффузия әсеріне қарай жіктеп, D_s /D_o= ұсынды, ол ауаландыру аймағының үлкендігіне қарай Пепман коэффициентіне сәйкес, ал төмен көлем кезінде төмен түседі.

Миллингтон (1959) төмендегідей теңдікті ұсынды:

мұндағы: ε - жалпы кеуектілік.

Топырақтың ауа түзімін реттеу тәсілдерін әзірлеу және ең алдымен аэрация үшін тиімді жағдай құру үшін аэрацияға қажетті әртүрлі топырақ түрлерінен хабардар болу қажет. Алайда бұл ақпаратты алу қиынға соғады, себебі топырақтың тыныс алу тығыздығы және кеңістікте таралуы оның мезгілімен өзгеруі сияқты факторлардың көптігіне байланысты. Және ең алдымен топырақ ылғалдылығының температурасына, органикалық заттарға және ұсақ организмдердің және өсімдіктер тамырының тыныс алу белсенділігінің мезгілімен өзгеруіне де байланысты.

Анаэробиозис немесе оттегі жетіспеушілік оттегімен қамтамасыз ету үдемелілігінің қажетті мөлшерден төмендеген кезде болады. Бұл жағдайлар өте жылдам дамиды, себебі топырақтағы оттегі қоры тыныс алуға қажетті оттегімен салыстырғанда мейлінше төмен.

Хиллел (Нillеl, 1980) мұны мынандай мысалмен түсіндіреді. 60 см-ге дейінгі тереңдіктегі нәтижелі тамыр жүйесі бар және әрбір шаршы метрде 90 л ауасы бар 15 пайыздық ауа өткізгіш топырақты алайық. Оттегінің бастапқы концентрациясы газды фазада 20 пайызға тең. Есептелген оттегі қоры 18 л, мұның эквиваленттілігі 25 т. Бұл шама мынадай есептен пайда болады: идеалды газ қалыпты температура мен қысымда 22,4 л/моль мөлшерге тең; оттегінің молекулярлы салмағы - 32 г; 18 л-гі салмақ (18/22,4) х 32=25,7г-ға тең.

Егер топырақтың тыныс алуы үшін оттегі қажеттілігі бір шаршы метрге 10г/тәу. тәртібінде болса, топырақтағы бастапқы оттегі қоры тек 25 күнге ғана жетеді. Оттегі жетіспеушілігінің белгілері ертерек біліне бастайды. Алайда бұл сандар шама тәртібін көрсету үшін келтірілген, себебі нақты жағдайда аэрация ауқымды шекте өзгеруі мүмкін.

Өсімдіктердің өсуі оттегі жетіспеушілігінің таралуына және ұзақтылық мерзіміне байланысты.

Тыныс алу тығыздығы бойынша толық мәліметтерді Карри (Currie, 1975) арнайы алаң респираторларынан алды. Оның зерттеулерінің қорытындысы температураның жетекші рөлін анықтады. Бұл әсіресе топырақ пен тыныс алу температурасының маусымдық ауытқуларында анық көрінеді. Тыныс алу тығыздылығы жаз мезгілінде қыс мезгіліне қарағанда он есе күшті болады. Қалыпты температурада тыныс алу тығыздылығы күз мезгілімен салыстырғанда көктемде күштірек. Бұл бір жағынан көктемде болатын микробты популяцияның дамуынан, екінші жағынан - жылдың осы мезгілінде өсімдік қалдықтарының едәуір қолжетімділігіне байланысты.

Ауыл шаруашылық мәдениетімен орын алған учаскелерде тыныс алған едәуір күштірек.

Топырақ тыныс алуының тәуліктік ауытқуы температура барысымен жүреді. Тыныс алу тығыздығының таңғы уақытқа қарағанда түс мезгілінде екі есе жоғары.

Осылайша топырақтың тыныс алуы тәулік пен апта ішіндегідей жыл мезгілдерінде ауысып отырады, бұл сонымен қатар ауыл шаруашылығының дамуына және микробиологиялық қызметке байланысты.

Топырақтың ауа түзімі және оны реттеу әдістері

Өсімдік тамырының тыныс алуына, микроорганизмдердің өмірге бейімділігіне, биохимиялық реакцияларға және т.б. байланысты топырақтың тыныс алу тығыздылығының өзгеруі топырақ ауасындағы негізгі құрамдардың - oттeгi мен көмірқышқыл газының өзгеруіне негіз болады, яғни топырақтың ауа түзімін құрады.

Температураның күрт ауытқуы және топырақ қабатының ылғалдылығы оның тыныс алуының және топырақ ауасы құрамының өзгерісін құрады. Топырақ ауасының құрамы, топырақ пен атмосфера арасындағы газ алмасу тәулікті, маусымды, жылдық және көп жылдық өзгергіштікке ұшыраған. Топырақтың ауа түзімінің анағұрлым айқын тәуліктік өзгеруі топырақтың 50- 70 см тереңдіктегі қабатынан байқалады. Топырақтағы оттегі құрамы төмендейді, ал құрамындағы көмірқышқылы жоғарылайды. Құрғақ, жақсы аэрацияланған ашық-каштанды топырақтарда бұл теңдестік әлсіз.

Топырақ ауасында оттегі мен көмірқышқыл құрамына жер асты суларының деңгейі маңызды әсер етеді, Топырақтың ауа түзімін жақсартудың, оның аэрациялығын жоғарылатудың негізгі жолы - дренаждың көмегімен жер асты суларының деңгейін реттеу.

Топырақтың егістік қабатының аэрациясын жақсартуға оның құрылымын жақсарту, топырақтың агрегирациясын жоғарылату едәуір ықпал етеді. Бұл топырақ бетінде қабық пайда болған жағдайда аса маңызды.