Физические функциональные свойства почвы
Почвенная вода, водные свойства и водный режим
Почвенная вода (влага) – это одна из важнейших и мобильных частей почвы. При участии воды идут процессы выветривания, гумификации и минерализации органических остатков. Почвенная влага является основой жизни микроорганизмов и высших растений. При участии почвенной влаги происходит перемещение вещества внутри почвенного профиля и обособление генетических горизонтов. От состояния влажности почвы меняются её физические свойства.
Проблемами почвенной гидрологии занимались почвоведы Г.Н. Высоцкий, А.А. Измайльский, Н.П. Адамов, Н.А. Качинский, А.Н. Роде.
Формы воды в почве
Вода в почве может находиться в твёрдом, газообразном и жидком состоянии. Согласно классификации А.Н. Роде, в почве выделяются следующие категории почвенной влаги.
1. Кристаллизационная– химически связанная вода, которая входит в состав кристаллических решеток почвенных минералов (гипс CaSO4 2H2O). Эта форма воды растениям совершенно не доступна, удаляется при длительном нагревании при t 1050 С.
2. Твёрдая влага– вода в почве в виде льда. Эту воду растения не используют непосредственно. Замёршие почвы являются физиологически сухими. Но твёрдая влага может служить резервом доступной влаги.
3. Парообразная влага – присутствует в почвенном воздухе в виде водяного пара. Пары воды поступают в почву из атмосферы и постоянно образуются в почве при испарении жидкой воды и льда. Они перемещаются по профилю почвы и в атмосферу с током почвенного воздуха и диффузионно в соответствии с градиентом давления пара.
Жидкая влага в почве представлена категориями связанной и свободной влаги.
4. Связанная жидкая влагаудерживается на поверхности твёрдых частиц силами молекулярного притяжения. Она делиться на 2 формы:
4.1. Гигроскопическая влага (прочносвязанная) - образуется в результате протяжения (сорбции) дипольных молекул воды к поверхности твёрдых частиц почвы. Образуется плёнка из 2-3 ориентированных слоёв молекул воды. Гигроскопическая влага сорбируется только из почвенного воздуха и удерживается очень прочно (сила удержания до 10 атмосфер), удаляется только при длительном нагревании до 1050С. Гигроскопическая влага не способна к передвижению, она как бы припаяна к почвенным частицам и совершенно не доступна для растений.
4.2. Плёночная (рыхлосвязанная) вода. Сорбировав максимально возможное количество молекул водяного пара из воздуха, поверхностные силы твёрдой части почвы притягивают ещё некоторое количество жидкой воды. Эта притянутая вода, образующая внешнюю плёнку сорбционно связанной воды, образует плёночную воду. Плёночная вода связна менее прочно и передвигается (очень медленно) от почвенных частиц с относительно толстой плёнкой к частицам с более тонкой плёнкой. Частично доступна растениям.
5. Свободная жидкая влагане связана силами притяжения с почвенными частицами, доступна растениям. Различают капиллярную и гравитационную формы:
5.1. Капиллярная вода заполняет капиллярные поры (r=0,001 мм), передвигается под влиянием капиллярных сил. При увлажнении почвы сверху образуется капиллярно – подвешенная и пленочно-подвешенная вода. При подъёме воды снизу от горизонта грунтовых вод образуется капиллярно-подпёртая вода. Зону капиллярного насыщения над грунтовой водой называется капиллярной каймой.
5.2. Гравитационная вода размещается в крупных некапиллярных порах и легко передвигается по профилю почвы под действием гравитационных сил.
Водные свойства почвы
Основными водными свойствами являются:
1. Влагоёмкость (водоудерживающая способность) – свойство почвы удерживать воду под действием сорбиционных и капиллярных сил. Полная влагоёмкость (ПВ) – наибольшее количество воды, которое может вместить почва при полном заполнении всех пор водой. Капиллярная влагоёмкость (КП) – максимальное количество капиллярно-подпёртой влаги, которое может содержаться в почве над уровнем грунтовых вод. Величина капиллярной влагоёмкости колеблется от 17-20 до 50-60 % от массы почвы и определяется её скважностью. Чем ближе уровень грунтовых вод, тем больше капиллярная влагоёмкость.
Влагоёмкость почв зависит от механического состава, содержания гумуса. Чем больше в почве глинистых частиц и гумуса, тем выше влагоёмкость.
2. Водопроницаемость - способность почвы впитывать и пропускать воду. Водопроницаемость характеризует скорость просачивания гравитационной воды. Водопроницаемость зависит от общего объёма пор в почве, их размера. В лёгких по механическому составу почвах поры крупные и водопроницаемость всегда высокая. Суглинистые и глинистые почвы, обладающие водопрочной комковато-зернистой структурой, также отличаются высокой водопроницаемостью. В почвах тяжёлого механического состава с глыбисто-пылеватой структурой водопроницаемость низкая.
При низкой водопроницаемости в районах достаточного увлажнения может происходить вымочка культур, застаивание воды на поверхности. При очень высокой водопроницаемости не создаётся хороший запас воды в корнеобитаемом слое.
3. Водоподъёмная способность – свойство почвы вызывать подъём влаги по капиллярам. В природе над зеркалом (поверхностью) грунтовых вод создаётся кайма капиллярно-подпёртой влаги. Капиллярные силы начинают проявляться в порах диаметром 8 мм (наиболее ярко в порах 0,1 – 0,003 мм). Более тонкие поры заполнены связанной водой. Поэтому водоподъёмная способность зависит от гранулометрического состава почв и возрастает от песков к суглинистым почвам (максимально 3,5 – 6 м) и снова уменьшается в глинистых почвах.
4. Испаряющая способность почвы – способность почвы испарять влагу. На величину испарения влияет механический состав, структура, плотность почвы, задернованность поверхности, экспозиция склона, t и влажность воздуха, сила ветра.
5. Гидроскопичность почвы – способность почвы поглощать из воздуха парообразную воду. Содержание гигроскопической воды в почве целиком зависит от относительной влажности воздуха и свойств почвы. Чем больше глинистых частиц, органических и минеральных коллоидов, тем выше гигроскопичность. Когда относительная влажность воздуха приближается к 100 %, почва насыщается водой до максимальной гигроскопичности (МК).
При умножении максимальной гигроскопичности на 1,5 (коэффициент Н.А. Качинского) вычисляют влажность завядания – влажность почвы, при которой появляются признаки завядания растений. Эта величина зависит как от особенностей почвы, так и от характера растений.