Почва почти всегда содержит большое количество пор (10—60% от объема), частично заполненных водой и частично газами. Состав почвенных газов определяется, с одной стороны, скоростью биохимических процессов, происходящих в почве, с другой — поступлением газов из атмосферы. Абиотические процессы газовыделения и связывания газов на фоне перечисленных играют весьма скромную роль. Оценивая роль газов в почве, В.И. Вернадский писал: «Почва, взятая без газов, не есть почва. Роль почвы в истории земной коры отнюдь не соответствует тонкому слою, какой она образует на ее поверхности. Но она вполне отвечает той огромной активной энергии, которая собрана в ее живом веществе и которая способна к переносу благодаря проникающим в почву газам. Говоря о значении биохимических процессов в почвах и о значении почвы в области биосферы, мы, другими словами, скрыто указываем на первенствующую роль газов в почвенных процессах и на значение этих газов в газовом обмене земной коры».
Раскрытие роли почвенных газов шло главным образом по пути выяснения интенсивности и значения поглощения почвой кислорода и выделения углекислого газа. Другие газы мало изучались. Установлено, что эти процессы идут в огромных масштабах: потребление кислорода за 1 ч составляет 1000—4000 л/га; примерно в таких же масштабах выделяется и углекислый газ. Рассчитано, что запасов кислорода в почве в связи с интенсивностью его потребления почвенными микроорганизмами и корнями растений хватило бы всего на 12—48 ч, в некоторых почвах — на 100 ч, если бы его запас не пополнялся из атмосферы. Газообмен между воздухом и почвой идет весьма интенсивно. Обычно в пахотном горизонте за каждый час происходит почти полное обновление воздуха.
Построенная модель газообмена в системе почва — атмосфера позволила определить, что главную роль в газообмене играет диффузия и подчиненную, но для некоторых условий весьма существенную — конвекция. Последняя в большой степени связана с разностью температуры почвы и воздуха, изменениями барометрического давления, влиянием ветра, выпадением осадков и изменением уровня грунтовой воды и верховодки. Одно время большое значение придавали так называемому «дыханию почвы» по Дояренко. Из-за разновременных суточных изменений температуры почвы и воздуха почва в определенное время засасывает атмосферный воздух, а в другое — как бы выдыхает газы. Однако с помощью прямых опытов и расчетов было показано, что простая диффузия имеет большее значение в газообмене, а описанное явление — лишь подчиненное. Скорость газообмена резко уменьшается при сильном увлажнении почвы. При переходе от слабоувлажненной до водонасыщенной почвы она уменьшается в миллион раз. Но даже на больших глубинах содержится некоторое количество газообразного и растворенного кислорода, и восстановительные условия наблюдаются только в некоторых локусах.
Почвенные микроорганизмы и корни растений резко изменяют газовую фазу почвы. По газовому составу почвенный воздух в десятки и сотни раз отличается от атмосферного воздуха, причем такие различия наблюдаются несмотря на то, что, как отмечалось, почвенный и атмосферный воздух быстро обмениваются. Но даже этот быстрый обмен не приводит к выравниванию содержания газов в атмосфере и в почве, т. е. продукция и потребление газов в почве идут очень быстро. Градиент концентраций между почвой и атмосферой поддерживается благодаря интенсивной деятельности почвенной биоты. Почва выступает как мощный регулятор газового состава атмосферы.
Почвенный воздух содержит в 10—100 раз больше углекислоты и во много раз меньше кислорода, чем атмосферный воздух. Содержание азота несущественно отличается от атмосферного. Кроме того, почвенный воздух всегда содержит пары воды и ряд микрогазов, а также летучие органические вещества, которые в каждый данный момент хотя и содержатся в очень небольших количествах, но из-за быстрого круговорота, а также сильного физиологического действия могут иметь большое значение в балансе веществ и в экосистеме вообще.
При изучении газового обмена почв обычно опыты ставят по принципу «черного ящика», когда измеряется только газообмен между почвой и атмосферой и не определяется истинная интенсивность процессов, происходящих в самой почве. Например, в почве происходит образование метана и его частичное потребление. Интенсивность процесса учитывается только по выделению метана, т. е. по разности между его образованием и потреблением, или, другими словами, по превышению процесса газообразования над потреблением. Такие определения не могут дать представления об истинных масштабах процесса образования метана и его потребления. Почвенные микроорганизмы способны, как правило, проводить прямо противоположные процессы: образование СО2 и его поглощение, связывание атмосферного азота в процессе азотфиксации и его выделение в процессе денитрификации, образование водорода или недоокисленных газообразных соединений азота и их использование. Принцип рассмотрения почвы как «черного ящика» пригоден для оценки роли почвы в изменении состава атмосферы, и для некоторых исследований такой подход вполне достаточен, но он не может дать представления об интенсивности процессов в почве. Истинная интенсивность процессов в почве может быть во много раз больше, чем кажется, если о ней судить только по выделению или поглощению газов почвой.