Категории почвенной влаги кратко

Обновлено: 02.07.2024

Роль почвенной влаги в почвообразовании исключительно велика. Не менее важное значение имеет почвенная влага как фактор плодородия почв, а отсюда и как фактор сельскохозяйственного производства. Исходя из этого, вытекает весьма важная задача мелиорации – регулирование водного режима и водного баланса почв.

Проведение гидротехнических мелиорации (орошение, осушение, двустороннее регулирование водного режима) всегда должно увязываться с содержанием и доступностью влаги в почве, т.е. обусловливаться степенью ее связи с почвой, количественным и качественным соотношением различных ее форм. Поэтому четкое представление о формах воды в почве, границах отдельных ее категорий, в пределах которых вода обладает одинаковыми свойствами, важно не только в теоретическом плане, но и в практическом отношении.

В почве вода находится в различных состояниях и формах, а следовательно, обладает различной степенью доступности для растений.

Согласно взглядам А.А. Роде, наиболее полно обобщившим все предыдущие исследования по этому вопросу, различают следующие категории (формы) почвенной воды:

1) Химически связанная:

2) Парообразная вода;

3) Физически связанная или сорбированная вода:

а) прочносвязанная вода;

б) рыхлосвязанная (пленочная) вода;

4) Свободная вода:

а) Капиллярная вода:

– капиллярно-посаженная (подперто-подвешенная вода);

б) Гравитационная вода:

5) Твердая вода – лед.

Химически связанная вода находится в почве в составе гидратных минеральных, органоминеральных и органических веществ. Ее количество невелико и лишь иногда может достигать от 5 % до 12 %, что указывает на значительное содержание в почве выветривающихся силикатов и алюмосиликатов. Эта вода подразделяется на конституционную и кристаллизационную, объединяемых иногда общим понятием гидратной или кристаллогидратной воды.

Конституционная вода является компонентом химического состава минералов, соединений, входя в них в виде гидроксильной группы ОН – (гидроксиды железа (Fe(OH)₃, лимонит алюминия – Аl(ОН)₃, гиббсит марганца – МnО(ОН), манганит; органоминеральные соединения; глинистые минералы). Выделяется эта вода в интервале высоких температур порядка от 165 °C до 175 °C, а для некоторых фракций воды от 400 °C до 800 °C в зависимости от состава вещества и сопровождается его распадом.

Кристаллизационная вода входит в состав вещества целыми водными молекулами кристаллогидратов (медный купорос – CuSО₄?5H₂О, гипс – CaSО₄?2H₂О, глауберова соль (мирабилит) – Na₂SО₄?10Н₂О и т.д.). Удаляется при нагревании от 100 °C до 200 °C. У гипса, например, первая молекула воды удаляется при 107 °C, а вторая – при 140 °C – 190 °C. Удаление кристаллизационной воды не приводит к распаду вещества, но изменяет физические свойства.

Химически связанная вода (конституционная, кристаллизационная), отличаясь исключительно высокой прочностью связей и полной неподвижностью, не участвует в почвенных процессах и растениям недоступна.

Парообразная вода – это водяной пар порового пространства почвы. Относительная влажность почвенного воздуха почти всегда близка к насыщению ее парами воды, и уже при влажности почвы свыше ее максимальной гигроскопичности практически равна 100 %. Всякое понижение температуры приводит к конденсации парообразной воды и переводу ее в жидкое состояние, повышение температуры приводит к обратному процессу. Передвижение парообразной воды в поровом пространстве почвы обусловливается упругостью пара (от участков с высокой упругостью водяного пара к участкам с более низкой упругостью), а также вместе с током воздуха. Парообразная вода недоступна растениям, но ее наличие в почве важно в том плане, что она препятствует просушиванию корней растений.

Физически связанная вода . Эта категория воды в почве определятся силами поверхностной энергии почвенных частиц. Поскольку ее величина возрастает с увеличением общей суммарной поверхности частиц, то содержание физически связанной воды зависит от размера минеральных элементов, слагающих почву, и наиболее сильно выражена у илистых и коллоидных частиц.

При соприкосновении частиц почвы с водой, молекулы последней притягиваются этими частицами за счет сил сорбции и образуют вокруг них пленку из нескольких слоев молекул воды. Обладая дипольностью (частицы с двумя противоположно заряженными полюсами) молекулы воды притягиваются не только поверхностью почвенных частиц, но и взаимодействуют друг с другом противоположно заряженными полюсами, находясь в строго ориентированным положении. Естественно, что прочность связи молекул воды у поверхности почвенных частиц очень высока, достигая 17 – 37 тыс. атмосфер и значительно снижается по мере удаления от них. Исходя из этого, физически связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода – это вода, которая поглощается почвой из парообразного состояния. Способность почвы сорбировать пары воды из воздуха называется гигроскопичностью, а образуемая при этом влага – гигроскопической влагой (ГВ). Прочносвязанная вода обладает особыми физическими свойствами, приближаясь к твердым телам. Плотность ее достигает от 1,5 г/см 3 до 1,8 г/см 3 , она не замерзает, неподвижна и не доступна растениям.

Предельное количество воды, которое поглощается почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха от 94 % до 98 %, называют максимальной гигроскопической водой (МГ). Это прочносвязанная вода. Осмотическое давление в самом поверхностном слое при насыщении почвы до МГ составляет около 50 атм. Растениям (кроме некоторых солянок, у которых осмотическое давление клеточного сока в корнях может достигать 70 атм) эта вода недоступна.

Гигроскопическая и максимально гигроскопическая влага удаляются из почвы нагреванием до 105 °C.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода . Почва, насыщенная влагой до максимальной гигроскопичности, больше не поглощает парообразную воду, но при соприкосновении с жидкой водой происходит притягивание ее молекул силой ориентированных молекул прочносвязанной воды (ГВ и МГ). Добавочная вода сверх МГ, которая удерживается в почве сорбционными силами жидкой фазы, является водой пленочной или рыхлосвязанной. Находясь в почве как бы в вязкожидкой форме, пленочная вода может, хотя и очень медленно (со скоростью несколько десятков сантиметров в год), передвигаться от почвенных частиц с толстыми водяными пленками к частицам с тонкими пленками. В связи со слабой мобильностью и довольно высоким давлением, которым эта вода удерживается почвой, она очень трудно усваивается растениями и может соответствовать влаге завядания (ВЗ) растений. Верхний предел ВЗ измеряется величинами в пределах 1,2 – 2,5 МГ (в среднем 1,5 МГ) с напряжением влаги (т.е. силами удерживающими воду) в 15 – 20 атм, что практически соответствует сосущей силе корней (14 – 16 (25) атм). При этом следует различать завядание растений временное, легко устранимое и длительное (глубокое), приводящее к гибели растений ( Продолжение на ЛитРес

Жидкая фаза почвы (вода, почвенные растворы) является ее неотъемлемой частью и выполняет разнообразные функции.

Именно эта фаза обеспечивает перераспределение веществ в почвенном профиле и формирует его как целостную систему. В самом процессе перемещения продуктов фотосинтеза и почвообразования в жидкой фазе можно выделить три типа элементарных почвенных процессов:

мобилизация (метаморфизм минеральных или органических веществ, часто просто растворение), приводящая к элювиированию (потере) элементов, коллоидов и органоминеральных соединений;
миграция веществ в почвенном профиле и за его пределы;
осаждение веществ в разных формах (иммобилизация, аккумуляция) в области барьеров — физического (изменение плотности и структуры порового пространства, испарительный барьер на границе капиллярной каймы, градиенты влажности), биохимического (карбонатизация, сульфатизация), физико-химического (изменения окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий, поглотительной способности).

Процессы перемещения вещества и энергии с жидкой фазой почвы

С осаждением веществ связано образование иллювиальных горизонтов.

Соотношение процессов элювиирования, миграции и иллювиирования определяет тип строения почвенного профиля. Эти процессы отражены в названиях многих генетических горизонтов, что способствует пониманию генезиса почв.

Почвенная влага представляет собой, во-первых, особую физико-химическую систему, в которой протекают различные процессы и химические реакции, необходимое звено в межфазных взаимодействиях, во-вторых, транспортную геохимическую систему, обеспечивающую перемещение продуктов почвообразования в профиле и экосистеме, в-третьих, систему жизнеобеспечения растений, поденных животных и микроорганизмов.

Категории почвенной влаги

Вода в почвах может находиться в разных состояниях, отличающихся физическими свойствами и функциями. Порции почвенной воды, обладающие одинаковыми свойствами, называются категориями, или формами, почвенной влаги.

Различают пять категорий почвенной влаги: химически связанная; парообразная; физически связанная, или сорбированная; свободная; твердая.

Категории (формы) почвенной влаги

Химически связанная вода представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, марганца, органические и органо-минеральные соединения, глинистые минералы) и целыми водными молекулами кристаллогидратов (например, гипс — CaSO₄ · 2Н₂O). Эта вода входит в состав твердой фазы почвы и не является самостоятельным водным телом и растворителем, не перемещается.

Парообразная вода всегда содержится в почве. При понижении температуры почвы парообразная вода в результате конденсации переходит в жидкую. Она играет чрезвычайно важную роль в обеспечении почвенных обитателей водой в условиях резкого дефицита доступной влаги.

Физически связанная, или сорбированная, вода — это вода, сорбированная на поверхности твердых частиц. В зависимости от прочности удержания воды сорбционными силами твердых частиц, физически связанная вода подразделяется на две подсистемы: прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода — это вода, поглощенная почвой из парообразного состояния. Свойство почвы сорбировать парообразную влагу на поверхности твердых частиц называют гигроскопичностью почв, а поглощенную таким образом влагу — гигроскопической. Гигроскопическая влага неподвижна, не замерзает, не растворяет электролиты, не доступна растениям.

Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха 94—98 %, называют максимальной гигроскопической водой. Значение этого показателя зависит от величины удельной поверхности почвы и обычно изменяется от 0,5—1,0 % (в песчаных Сдабогумусированных почвах) до 15—16% (в сильногумусированных суглинистых и глинистых почвах). В торфяных почвах МГ может достигать 30—50 %.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода — это вода, поглощенная из жидкого состояния и удерживаемая в почвах на поверхности частиц сорбционными силами сверх значений максимальной гигроскопичности. Пленочная вода может очень медленно перемещаться в жидкой форме. Она частично доступна для растений.

Свободная вода находится вне зоны действия сорбционных сил. Эта форма воды подразделяется на два подтипа: капиллярную и гравитационную.

Гравитационная вода свободно стекает в почве под действием гравитационных сил. Если все поры в почве заполняются водой, то в почве формируется водоносный горизонт. Воды внутрипочвенных: водоносных горизонтов подразделяют на грунтовые, почвенной грунтовые и почвенные (почвенная верховодка — гравитационная) вода, временно скапливающаяся с образованием водоносного горизонта в профиле почвы над водоупорным слоем). Характерна для почв на двучленных почвообразующих породах.

Все формы воды в почве образуют единую водоносную систему. Парообразная, химически и физически связанные формы води всегда присутствуют в почве. Гравитационная вода появляется в почве периодически, после выпадения осадков объемом выше 5 мм. При залегании уровня грунтовых вод в границах профиля гравитационная вода может находиться в почве постоянно. Содержание капиллярных форм влаги в почве зависит от частоты выпадений осадков и расхода влаги на транспирацию и испарение. При близком залегании уровня грунтовых вод капиллярная влага присутствует в профиле почвы постоянно.

Почвенные растворы

Почвенный раствор — это жидкая фаза почвы, особая геохимическая система, включающая растворенные соли, органические и органо-минеральные соединения, газы и коллоиды. Почвенный раствор является продуктом почвообразования и жизнедеятельности почвенных обитателей. Приведена схема, помогающая представить влияние разных форм почвенной влаги на формирование почвенного раствора. Он включает в себя все формы свободной, капиллярной, рыхлой и частично прочносвязанной воды.

Почвенный раствор образуется в процессе взаимодействия поступающей в почву атмосферной (поливной) или грунтовой влаги с твердой, газообразной и живой фазами почвы. Он характеризуется составом катионов и анионов. К важнейшим катионам почвенного раствора относятся Са 2+ , Mg 2+ , Na + , К + , NH₄ + , Н + , Al 3+ , Fe 3+ , Fe 2+ . Среди анионов преобладают HCO₃ 2- , CO₃ 2- , NO₃ — , Cl — , SO₄ 2- , H₂PO₄ — , HPO₄ 2- .

Величина pH почвенных растворов изменяется в широком диапазоне: от 3—4 в кислых почвах до 8—9 в карбонатных, достигая максимума (10—11) в солонцах и содовых солончаках.

Концентрация растворов в разных типах почв изменяется от десятков миллиграммов до нескольких граммов на 1 л раствора. В засоленных почвах концентрация почвенного раствора может достигать нескольких десятков граммов на 1 л. Наиболее низкими концентрациями характеризуются подзолистые и болотные почвы Нежной зоны.

Содержание углерода в почвенных растворах подзолистых почв достигает нескольких десятков миллиграммов на 1 л.

Тесная связь с испарением, с жизнедеятельностью растений и микроорганизмов обусловливает ярко выраженную суточную и сезонную динамику концентрации и состава почвенного раствора; Изменение концентрации и состава раствора в свою очередь приводит к изменению режима водного и минерального питания растений.

Вода в почву поступает за счет атмосферных осадков, передвижения грунтовых вод, конденсации водяных паров, искусственного орошения.

Однако не вся вода в почве используется растениями. Часть ее испаряется в атмосферу, некоторое количество удерживается твердой фазой почвы с большой силой и недоступно растениям.

Почвенную влагу принято делить на категории, формы и виды (А.Ф. Лебедев, А.А. Роде, С.И. Долгов, Н.А. Качинский и др.) (рис. 5).

Различают следующие категории почвенной влаги:

1. Кристаллизационная (конституционная) влага – отличается исключительно высокой прочностью связи и неподвижностью.

2. Твердая влага – лед. Неподвижная влага.

3. Парообразная влага – передвигается в форме водяного пара от участков с высокой абсолютной упругостью к участкам с более низкой упругостью; может пассивно передвигаться с током воздуха.

Рис. 5. Классификация почвенной влаги

4. Прочносвязанная влага – весьма прочно удерживается адсорбционными силами, присущими почвенным частицам, образует на поверхности их тонкую пленку толщиной в 2–3 молекулы. Может передвигаться лишь в парообразном состоянии.

5. Рыхлосвязанная влага – удерживается на поверхности тонких пленок прочносвязанной воды силой ориентированных молекул (диполей воды), а также за счет гидратирующей способности обменных катионов. Образует вокруг почвенных частиц пленку, толщина которой может достигать десятков молекулярных диаметров воды. Передвигается под влиянием сорбционных сил.

6. Свободная влага не связана силами притяжения с почвенными частицами, передвигается под действием капиллярных и гравитационных сил. Свободная влага делится на три формы – подвешенная, подпертая гравитационная и свободная гравитационная. Для подвешенной влаги характерно отсутствие гидрологической связи с постоянным или временным водоносным горизонтом. Подпертая гравитационная влага удерживается из-за близкого залегания грунтовых вод, подпирающих снизу воду в капиллярах и более крупных порах почвы. Свободная гравитационная влага находится преимущественно в крупных порах почвы и передвигается исключительно под влиянием силы тяжести. Подвешенная форма влаги встречается в четырех видах – стыковая капиллярноподвешенная, внутриагрегатная капиллярноподвешенная, насыщающая капиллярноподвешенная, сорбционнозамкнутая.

Стыковая капиллярноподвешенная влага находится в виде разобщенных скоплений вокруг точек соприкосновения твердых частиц; характеризуется отсутствием гидростатической сплошности, удерживается капиллярными силами.

Внутриагрегатная капиллярноподвешенная влага находится в капиллярах, пронизывающих агрегаты; удерживается капиллярными силами.

Насыщающая капиллярноподвешенная влага целиком заполняет тонкие поры почвы, удерживается капиллярными силами и силами смачиваемости первоначально сухой почвы.

Сорбционнозамкнутая влага находится в виде микроскоплений в некапиллярных порах, изолированных перемычками и пробками из связанной воды; удерживается сорбционными силами.

Подпертая гравитационная влага делится на подперто-подвешенную капиллярную и подпертокапиллярную. Подперто-подвешенная капиллярная влага находится в мелкопористых слоях почвы, подстилаемых более легкими и более крупнопористыми слоями; удерживается капиллярными силами. Подпертокапиллярная влага находится в капиллярах, подпираемых грунтовыми водами или верховодкой; удерживается капиллярными силами.

Свободная гравитационная влага также встречается в двух видах – просачивающаяся и влага водоносных горизонтов. Просачивающаяся – свободная гравитационная влага, которая передвигается при нисходящем токе под влиянием силы тяжести. Влага водоносных горизонтов удерживается вследствие непроницаемости водоупорного слоя.

Глава 7. ВОДНЫЕ СВОЙСТВА И ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ

§1. Значение воды в почве

Почва как многофазная система способна поглощать и удерживать воду. В ней всегда находится определенное количество влаги. Вода поступает в почву в виде атмосферных осадков, грунтовых вод, при конденсации водяных паров из атмосферы, при орошении.

Почвенная вода является жизненной основой растений, почвенной фауны и микрофлоры, получающих воду главным образом из почвы. От содержания воды в почве зависят интенсивность протекающих в ней биологических, химических и физико-химических процессов, передвижение веществ и формирование почвенного профиля, водно-воздушный, питательный и тепловой режимы, ее физико-механические свойства, то есть, важнейшие показатели почвенного плодородия. Следовательно, почвенная вода оказывает прямое и косвенное влияние на развитие и урожайность растений.

Растения расходуют воду в огромном количестве. Для создания 1 г сухого органического вещества потребляется от 200 до 1000 г воды. Количество воды, затрачиваемое на создание единицы сухого вещества за вегетационный период, называется транcnupaцuoнным коэффициентом. Однако растениями усваивается только часть почвенной влаги, которая удерживается силами, меньшими, чем сосущая сила корней, – продуктивная влага. В процессе фотосинтеза вода вместе с углекислым газом – первичный источник образования органического вещества растений. В воде растворяются питательные вещества, которые с почвенным раствором поступают в растения. Растения нормально развиваются только при постоянном и достаточном количестве влаги в почве. Недостаток, как и избыток, влаги в почве ограничивает продуктивность растений. В этом случае неэффективными становятся различные приемы, направленные на повышение урожаев сельскохозяйственных культур (внесение удобрений, известкование и др.).

Водообеспеченность растений определяется не только количеством поступающей воды в почву, но и ее водными свойствами, способностью почвы впитывать, фильтровать, удерживать, сохранять воду и отдавать ее растению по мере потребления. В одинаковых климатических условиях при равной влажности почвы могут содержать разное количество доступной воды, что зависит от механического состава почв, структурного состояния, содержания гумуса и других показателей, предопределяющих их водные свойства. Поэтому создание благоприятного водного режима в почве – одно из важнейших условий получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур в условиях интенсивного земледелия.

§2. Формы воды в почве

Для определения обеспеченности растений доступной водой необходимо знать формы и взаимосвязи воды в почве.

Вода в почве может находиться во всех трех состояниях: в парообразном, твердом и жидком. Парообразная вода содержится в почвенном воздухе и поступает из атмосферы, а также образуется в почве при испарении жидкой воды и льда, свободно передвигается в почве из более влажных мест в менее увлажненные (при условии одной и той же температуры во всех горизонтах почвы), а из горизонтов с большей температурой - в участки с меньшей температурой. Практическое значение парообразной почвенной влаги в земледелии ничтожно, однако в почвах засушливых районов за счет водяного пара в зимнее время в метровом слое аккумулируется до 10 –14 мм влаги. Твердая вода непосредственно не используются растениями, хотя и может служить резервом доступной влаги (жидкой и газообразной).

Жидкая и парообразная вода в почве подвергается воздействию различных природных сил: гравитационных, молекулярного притяжения твердой фазы почвы и силы притяжения между молекулами воды. В зависимости от преобладания одной из этих сил почвенная вода имеет различную подвижность и доступность для растений.

Выделяют следующие основные формы почвенной воды, различающиеся между собой прочностью связи с твердой фазой почвы и степенью подвижности: кристаллизационную, гигроскопическую, пленочную, капиллярную, гравитационную.

Кристаллизационная вода – это химически связанная вода, входящая в состав минералов либо в виде гидроксильных групп (Fе(ОН)з, А1(ОН)з, Са(ОН)₂), либо в виде целых молекул (например, гипса (CaS0_{4 *} 2 Н₂0), мирабилита (Na₂SО_{4 *} 10 Н₂О) и др.); выделяется при нагревании почвы до температуры 400 – 600 °С. Химически связанная влага не принимает непосредственного участия в физических процессах, протекающих в почве, и растениям недоступна.

Гигроскопическая влага. Часть воды, находящейся в воздухе в виде пара, поглощается поверхностью почвенных частиц, образуя гигроскопическую влагу – одну из форм так называемой сорбционной воды, т.е. удерживаемой силами сорбции. Содержание этой влаги зависит от: относительной влажности и температуры воздуха (чем влажнее воздух и ниже температура, тем ее больше в почве), содержания органического вещества (чем богаче почва гумусовыми веществами, тем ее больше) и механического состава (при прочих равных условиях почва суглинистая или глинистая всегда будет содержать больше гигроскопической влаги, чем почва песчаная или супесчаная). Наибольшее количество гигроскопической воды, поглощенное почвой и выраженное в процентах от массы сухой почвы, называется максимальной гигроскопичностью (МГ). Такое количество влаги почва может поглотить из воздуха, имеющего относительную влажность, близкую к 100 %. Максимальная гигроскопическая влажность – величина, постоянная для каждой почвы, так как она определяется при постоянных температуре и относительной влажности воздуха. Может колебаться для песчаных почв от 0,1 до 1,5 в глинистых, гумусированных – до 10 – 15, в органогенных – до 20 – 40 % от веса сухой почвы. Молекулы гигроскопической воды удерживаются на поверхности почвенных частиц с большой силой, поэтому удалить их можно лишь продолжительным нагреванием почвы при 105 °С. Следовательно, для растений гигроскопическая влага недоступна.

МГ используют для выяснения мертвого запаса влаги (МЗВ) в почве – количество влаги в почве, при котором растения начинают устойчиво завядать, так как эта вода не может быть использована растениями. Он равен 1,5 • МГ, т.е. в состав мертвого запаса влаги входит еще пленочная вода.

Пленочная вода покрывает почвенные частицы следующим за гигроскопической влагой слоем, также удерживается силами межмолекулярного притяжения, но слабее, поэтому является частично доступной (для взрослых растений). Кристаллизационная, гигроскопическая и пленочная формы воды относятся к прочносвязанной воде и составляют МЗВ.

Влага, которая содержится в почве сверх мертвого запаса, называется продуктивной. Благодаря этой влаге формируется урожай сельскохозяйственных растений.

Свободная вода не связана силами притяжения с почвенными частицами, доступна растениям, передвигается в почве под действием капиллярных и гравитационных сил. В связи с этим выделяют капиллярную и гравитационную воду.

Капиллярная вода заполняет тонкие (капиллярные) поры почвы и передвигается в них под влиянием капиллярных (менисковых) сил. Высота подъема воды тем выше, чем тоньше капилляр. В зависимости от характера увлажнения различают капиллярно- подвешенную и капиллярно-подпертую воду. При увлажнении почвы сверху (атмосферные осадки, оросительные воды) формируется капиллярно-подвешенная вода, не связанная с грунтовыми водами и находящаяся в верхней части профиля почв. Капиллярно-подпертая формируется при увлажнении снизу и поднимается от зеркала грунтовых вод. Почвенный слой, в котором она распространяется, называется капиллярной каймой, и мощность его зависит от водоподъемной способности почвы. Капиллярная вода легкодоступна для растений и является основным источником их водного питания. Разновидностью капиллярной воды является стыковая влага, находящаяся в почвах с атмосферным увлажнением, которая представляет собой влагу, удерживаемую между частицами почвы и не проходящую вниз.

Если почву, в которой все капиллярные поры уже заполнены водой, продолжать увлажнять, то влагой будут заполняться некапиллярные промежутки. Эта влага, свободно передвигающаяся в почве и подчиненная в своем движении силе тяжести, называется гравитационной. Гравитационная влага может передвигаться в почве только из верхних слоев вниз. Просачиваясь вниз, она либо является источником питания грунтовых вод, либо распределяется по толще почвы и переходит в другие формы воды. Гравитационная влага легкодоступна растениям, но избыточна (т.к. мало воздуха и нарушается газообмен) и поэтому непродуктивна. Полное насыщение почвы водой возможно после таяния снега или длительных дождей, однако это явление кратковременное.

Грунтовые воды играют важную роль в водном питании растений. Подходя близко к поверхности почвы, в северных районах они вызывают заболачивание, а в южных – засоление почвы. Критическая глубина залегания грунтовых вод, при которой происходит засоление почв на юге, колеблется в пределах 1,5 – 2,5 м.

§3. Водные свойства почвы и основные почвенно-гидрологические константы

Водный режим почвы зависит не только от количества атмосферных осадков, но и в значительной мере от водных свойств самой почвы. К главнейшим водным свойствам относятся водопроницаемость, водоподъемная способность (или капиллярность), влагоемкость.

Водопроницаемость – это способность почвы впитывать и пропускать через себя воду. Водопроницаемость измеряется объемом воды, протекающей через единицу площади поверхности почвы в единицу времени, выражается в мм водного столба в единицу времени.Процесс водопроницаемости включает впитывание влаги и ее фильтрацию. Впитывание происходит при поступлении воды в почву, не насыщенную водой, а фильтрация начинается тогда, когда большая часть пор почвы заполняется водой. Впитывание воды обусловлено сорбционными и капиллярными силами, фильтрация – силой тяжести.

Водопроницаемость зависит от механического состава, структуры (у структурных почв выше, чем у бесструктурных), содержания гумусовых веществ (в целом от общего объема пор в почве и их размера), а также от состава поглощенных катионов: натрий уменьшает водопроницаемость, а кальций – увеличивает. В легких по механическому составу почвах поры крупные и водопроницаемость всегда высокая. В почвах тяжелого механического состава с глыбисто-пылеватой структурой и плотных бесструктурных почвах водопроницаемость низкая. После оструктуривания такие почвы в несколько раз улучшают фильтрационную способность (суглинистые и глинистые почвы, обладающие водопрочной комковато-зернистой структурой, также отличаются высокой водопроницаемостью).

Хорошо водопроницаемыми считаются почвы, в которых вода в течение первого часа проникает на глубину до 15 см. В средневодопроницаемых почвах вода за первый час проходит от 5 до 15 см, а в слабоводопроницаемых – до 5 см. От этого свойства зависит степень использования водных ресурсов. При слабой водопроницаемости часть атмосферных осадков или оросительной воды стекаетпо поверхности, что приводит к непродуктивному расходованию влаги, могут происходить вымокание культур, застаивание воды на поверхности и развиваться эрозия почвы. При очень высокой водопроницаемости не создается хороший запас воды в корнеобитаемом слое почвы, а в орошаемом земледелии наблюдается большая потеря на полив.

Водоподъемная способность – свойство почвы поднимать содержащуюся в ней влагу за счет капиллярных сил (вода в почвенных капиллярах образует вогнутый мениск, на поверхности которого создается поверхностное натяжение). Высота капиллярного поднятия воды зависит от диаметра капилляров: чем они тоньше, тем выше поднятие, и наоборот. Поэтому водоподъемная способность растет от песчаных почв к суглинистым и глинистым. Максимальная высота подъема воды над уровнем грунтовых вод для песчаных почв 0,5 – 0,8 м, для суглинистых – 2,5 – 3,5 м, в глинистых почвах – 3,0 – 6,0 м.Скорость подъема зависит от размера пори вязкости воды, обусловливаемой ее температурой. По крупным порам вода поднимается быстрее, чем в почвах с тонкими капиллярами.С повышением температуры уменьшается вязкость воды, поэтому скорость ее капиллярного поднятия повышается. Растворенные в воде соли также оказывают значительное влияние на скорость капиллярного подъема. Минерализованные грунтовые воды в отличие от пресных поднимаются к поверхности по капиллярам с большей скоростью.

Благодаря капиллярным явлениям и водоподъемной способности почв грунтовые воды участвуют в дополнительном снабжении растений водой, особенно в засушливые годы, развитии восстановительных процессов и засолении почвенного профиля.

Влагоемкость – способность почвы впитывать и удерживать определенное количество воды. Выражается в % к весу сухой почвы. Эта способность зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса, состава поглощенных катионов. Высокая влагоемкость характерна для глинистых почв, богатых коллоидами, с высоким содержанием гумуса. Высокой влагоемкостью обладают почвы, содержащие известь, хлориды, слабовлагоемкие песчаные почвы.

Различают следующие виды влагоемкости: максимальную гигроскопическую, капиллярную, полевую и полную.

Максимальная гигроскопическая влагоемкость (МГВ) – это наибольшее недоступное растениям количество влаги (мертвый запас влаги), которое прочно удерживается молекулярными силами почвы (адсорбцией). Величина этой влагоемкости зависит от суммарной поверхности частиц, а также содержания гумуса: чем больше в почве илистых частиц и гумуса, тем она выше.

Капиллярная влагоемкость – максимальное количество воды (капиллярно-подпертой влаги), которое удерживается в почве над уровнем грунтовых вод при заполнении капиллярных пор. Кроме свойств почвы, величина капиллярной влагоемкости зависит от высоты над зеркалом грунтовых вод. Вблизи грунтовых вод она наибольшая, а с поднятием к поверхности уменьшается и на границе капиллярной каймы равна наименьшей влагоемкости.

Наименьшая влагоемкость (НВ), или предельная полевая влагоемкость (ППВ) – это наибольшее количество воды, которое остается в почве после ее полного увлажнения и свободного стекания избыточной воды. Величина наименьшей влагоемкости зависит от гранулометрического и минералогического состава, плотности и пористости почвы. Она соответствует величине капиллярно-подвешенной воды. Наименьшая влагоемкость – важнейшая характеристика водных свойств почвы, дающая представление о наибольшем количестве воды, которое почва способна накопить и длительное время удерживать. Она составляет (в % от веса абсолютно сухой почвы): для песчаных – 4 – 9, супесчаных – 10 – 17, легко- и среднесуглинистых – 18 – 30, тяжелосуглинистых и глинистых – 23 – 40. Наибольшие значения ППВ характерны для гумусированных почв тяжелого механического состава, обладающих хорошо выраженной макро- и микроструктурой.

Полной влагоемкостью (ПВ) называется наибольшее количество воды, которое может вместить почва при полном заполнении всех ее пор водой при отсутствии оттока (численно равна пористости почвы).

Оптимальной влажностью для большинства культурных растений условно принято считать влажность, приблизительно равную 50 % полной влагоемкости данной почвы. Для большинства зерновых культур оптимальная влажность составляет 30 – 50 %, для зернобобовых – 50 – 60 %, технических растений и корнеплодов – 60 – 70 %, сеяных луговых трав (злаков и бобовых) – 80 – 90 % ПВ почвы. Поэтому оптимальная влажность почвы для разных растений и почв должна несколько отклоняться от условно принятой.

Полевая влажность (W_П) характеризует содержание влаги в почве на данный момент, выражается в % к массе сухой почвы.

Из общего количества влаги, содержащейся в почве при ее полном насыщении, выделяют такие пограничные значения влажности, при которых меняются поведение воды и ее доступность растениям. Границы значений влажности, характеризующие пределы появления различных категорий почвенной влаги, называются почвенно-гидрологическими константами. Наиболее широко используются следующие: максимальная гигроскопическая влагоемкость, влажность разрыва капилляров (ВРК), влажность завядания (ВЗ), наименьшая влагоемкость (НВ) и полная влагоемкость (ПВ).

При влажности НВ вся система капиллярных пор заполнена водой, поэтому создаются оптимальные условия влагообеспеченности растений. По мере испарения и потребления воды растениями теряется сплошность заполнения водой капилляров, уменьшаются подвижность воды и доступность ее растениям. Влажность, при которой происходит разрыв сплошного заполнения капилляров водой, называется влажностью разрыва капилляров (ВРК). Это важная гидрологическая константа почвы, характеризующая нижний предел оптимальной влажности. Для суглинистых и глинистых почв ВРК составляет 65 – 70 % НВ.

Влажность завядания растений – это почвенная влажность, при которой у растений появляются признаки завядания, не исчезающие при помещении растений в атмосферу, насыщенную водяными парами, т.е. это нижний предел доступной растениям влаги (численно равна 1,5 _* МГ). Влажность завядания зависит от вида растений и свойств почвы. Чем тяжелее механический состав почвы, чем больше в ней органического вещества, тем выше ВЗ. В среднем она составляет: в песках – 1 – 3 %, в супесях – 3 – 6 %, в суглинках – 6 – 15 %, в торфяных почвах – 50 – 60 %.

Для растений доступна только та часть почвенной влаги, которая может быть усвоена в процессе жизнедеятельности. Она называется продуктивной влагой, так как используется для образования урожая и вычисляется как разница между ППВ и ВЗ. Зная количество продуктивной влаги, можно рассчитать урожай растений (1 % продуктивной влаги дает 1 ц зерна) и дефицит влаги.

Продуктивный запас влаги (ПЗВ) в определенном слое (или почвенном профиле) вычисляют, зная общий запас воды (ОЗВ) в этом слое и запас труднодоступной воды (ЗТВ). Запас воды определяют для каждого почвенного горизонта по формуле:

где В – запас воды, м 3 /га для слоя Н, W_П – полевая влажность, d_V – объемная плотность почвы, г/см 3 , Н – мощность горизонта, см. Запас труднодоступной воды рассчитывают по той же формуле, но вместо W_П берут ВЗ. Для пересчетов запасов воды, выраженных в м 3 /га, в мм их умножают на 0,1 (запас воды в 1 мм водного столба на площади 1 га равен 10 т воды). Разность между этими показателями дает продуктивный запас влаги: ПЗВ = ОЗВ – ЗТВ. Оценка запасов продуктивной влаги представлена в таблице 11.

Читайте также: