Свойства и формы почвенной влаги

На поступающую в почву влагу воздействуют силы различной природы, под действием которых она может либо передвигаться в разных направлениях, либо задерживаться. Это сорбционные, менисковые и гравитационные силы.

Сорбционные силы обусловливают гидратацию, которая выражается в образовании водной оболочки вокруг ионов и коллоидных частиц. Гидратация почвенных частиц связана с сорбцией парообразной и в меньшей мере жидкой влаги. Способность почвы сорбировать влагу из паров, находящихся в воздухе, называется гигроскопичностью, а поглощенная таким образом влага — гигроскопической.

Наибольшее количество влаги почва сорбирует из воздуха, насыщенного водяными парами. Это количество называется максимальной гигроскопичностью (МГ) и выражается в процентах от массы сухой почвы.

Влага, не удерживаемая сорбционными силами поверхности почвенных частиц, называется свободной. Поведение в почве свободной влаги определяется совокупным действием силы тяжести и капиллярных сил.

Капиллярные явления — менисковые, или капиллярные, силы обусловлены поверхностным натяжением воды. Чем меньше диаметр капилляра, тем больше поверхностное давление и тем выше высота капиллярного поднятия жидкости.

Вода, удерживаемая в почве капиллярными или менисковыми силами, называется капиллярной влагой. В свою очередь, она подразделяется на капиллярно-подвешенную и пленочно-подвешенную влагу, удерживающуюся в почвах при увлажнении сверху (после дождя или полива), и капиллярно-подпертую и капиллярную кайму, образующиеся при подъеме воды снизу от горизонта ГВ. Наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги, удерживаемое почвой после стекания избытка влаги при глубоком залегании ГВ и остающееся в верхних горизонтах почв после их смачивания, называется наименьшей влагоемкостью (НВ).

Капиллярно-подпертая влага возникает над зеркалом грунтовых вод, от которых влага по мелким капиллярного размера порам почвы может подниматься на большую или меньшую высоту, образуя капиллярную кайму. Содержание влаги в кайме уменьшается снизу вверх от почти полной влагоемкости (ПВ) до наименьшей вла-гоемкости. Полная влагоемкость — наибольшее количество влаги, которое может содержаться в почве при условии заполнения ею всех пор за исключением пор с защемленным воздухом, которые составляют, как правило, не более 5 — 8 % от общей пороз-ности. Следовательно, ПВ почвы численно соответствует пороз-ности почвы.

Наибольшее количество капиллярно-подпертой воды, которое может удерживаться в слое почвы, находящемся в пределах капиллярной каймы, выраженное в процентах от массы почвы, называется капиллярной влагоемкостъю (KB). Величина капиллярной влагоемкости колеблется от 17 —20 до 50—60 % от массы почвы и определяется ее скважностью. KB на разном расстоянии от уровня грунтовых вод непостоянна. Чем ближе УГВ (1,5 — 2 м), когда капиллярная кайма смачивает толщу до поверхности, тем больше КВ.

Если в почвенном профиле находятся горизонты или прослойки с пониженной водопроницаемостью, в период повышенного увлажнения может образоваться свободная гравитационная влага, называемая верховодкой.

К элементам водного режима относятся: впитывание, фильтрация, капиллярный подъем, сток поверхностный, сток нисходящий и боковой, испарение физическое, десукция (отсос влаги корнями растений), замерзание, размерзание, конденсация воды.

Типы водного режима почв. В зависимости от количественных соотношений этих элементов определяется преобладающее направление в передвижении влаги в почвенном профиле в годовом и сезонном циклах, а также пределы колебания почвенной влажности и почвенных влагозапасов, т.е. тип водного режима (ТВР). Возникновение и существование того или иного водного режима зависит от многих факторов: положения почвы в рельефе, климатических условий, водных свойств почвы и подпочвы, подпитывания почвы грунтовыми водами или его отсутствия, мерзлоты, характера растительности, влияния человека.

Применительно к различным природным условиям учеником В. В.Докучаева Г. Н. Высоцким были установлены четыре типа водного режима — промывной, непромывной, выпотной и водозастой-ный. Дальнейшие исследования почв позволили выделить еще несколько ТВР (рис. 16). В настоящее время установлено 14 типов водного режима почв. Охарактеризуем наиболее важные из них.

• Мерзлотный — почвенная вода большую часть года находится в твердой фазе в виде льда, причем в теплый период почвы оттаивают сверху вниз и над мерзлотой образуется надмерзлотная верховодка. Почва постоянно влажная и влагоемкость никогда не опускается ниже ВЗ.

• Водонасыщающий (водозастойный) — характерен для местностей, расположенных во влажном климате, но не имеющих хорошего стока (дренажа). В этих условиях почвенная масса длительное время сильно переувлажнена. Она пропитана водой от поверхности (или верхнего слоя) до УГВ, причем влага в почве малоподвижна. Следствие — заболачивание почвы. Водозастойный тип характеризует болотные почвы атмосферного увлажнения и некоторые болотные почвы грунтового увлажнения; влажность в течение всего года в пределах ПВ.

• Промывной — характерен для условий, при которых почвы получают преимущественно атмосферные осадки, причем количество их значительно превышает испарение. В почве возникает нисходящий ток влаги, который достигает УГВ. Ежегодное сквозное промачивание почвы до УГВ обусловливает возможность питания грунтовых вод атмосферными осадками, с одной стороны, и способствует промыванию почвенной массы (с выносом воднорастворимых веществ) — с другой. Типичен для почв лесных зон — тайги, влажных субтропических и тропических лесов, умеренных и широколиственных лесов, высокогорных лугов. Эти почвы отличаются высокой, иногда избыточной влажностью; весной почва увлажнена в пределах от НВ до ПВ и на некоторой глубине в ней образуется верховодка.

• Периодически промывной — характерен для почв с КУ около единицы в зоне лесостепи для выщелоченных и типичных черноземов. Сквозное промачивание почвенной толщи" происходит один раз в 10—15 лет. Периодически весь профиль насыщается водой до влажности выше НВ. В нижней части профиля влажность периодически падает до влажности разрыва капилляров, а в верхней — до ВЗ. '

• Непромывной — данный ТВР формируется в условиях, когда КУ меньше единицы (сухая степь, саванна). Осадки не достигают УГВ, расходуются на испарение и транспирацию. В почвенном профиле формируется высушенный «мертвый» горизонт, отделяющий верхнюю часть, которая периодически промачивается на глубину 0,5 — 2,0 м от горизонтов, увлажняемых грунтовыми водами. Почвы непромывного водного режима по сравнению с почвами промывного типа выщелочены (отмыты) от солей слабо. Они всегда имеют диагностические горизонты скопления воднорастворимых соединений (гипса, карбоната кальция и др.), расположенные ниже средней глубины промачивания атмосферными осадками. В верхней части профиля почв в зависимости от режима осадков влажность колеблется от ПВ до ВЗ, а в нижней около ВЗ в течение всего года.

• Аридный {сухой) — характерен для почв пустынь и полупустынь. Весь профиль сухой в течение всего года при влажности близкой к ВЗ или даже ниже. Спорадически верхние горизонты могут иметь более высокую влажность.

• Выпотной — так же, как непромывной и сухой, характерен для почв аридного и семиаридного климата, но формирующихся при близком залегании УГВ. Почвы снабжаются влагой из грунтовых вод. В этих условиях в них образуются восходящие токи почвенной влаги, достигающие наиболее прогретой поверхности, где они испаряются и оставляют «выпоты» различных воднорастворимых соединений (поваренная, глауберова соль, гипс и т.д.), что порой вызывает сильное засоление почв. Если ГВ минерализованы, то на поверхности почв откладываются соли, формируя луговые солончаки и солончаковые почвы, отличающиеся постоянно высокой влажностью.

• Десуктивно-выпотной — в отличие от выпотного режима капиллярная кайма ГВ не выходит на поверхность и испаряется не физически, а через отсос влаги корнями растений. Соли выпотевают не на поверхности почв, а на некоторой глубине в почвенном профиле. Характерен для луговых, лугово-черноземных, лугово-каштановых, лугово-коричневых и других полугидроморфных почв. Почвы характеризуются высокой влажностью всего профиля в течение первого периода и высокой влажностью нижней части профиля в течение всего года. Верхняя часть профиля может иссушаться до ВЗ и даже ниже.

• Ирригационный свойствен искусственно орошаемым почвам. Зависит от типа и интенсивности орошения (дождевание, напуск по бороздам, затопление на рисовых полях, вегетационные поливы), глубины и характера сезонных колебаний ГВ, наличия и характера искусственного дренажа.

Водный баланс почв. Водообеспеченность — один из важнейших критериев плодородия почв. Она обусловлена характером водного баланса почв, его главными составляющими компонентами, определяющими положительные и отрицательные статьи баланса:

1. Поступление в почву атмосферных осадков. В почву поступает меньше влаги, чем выпадает ее в виде осадков. Некоторая часть жидких и твердых осадков, часто довольно значительная, задерживается растительностью, особенно кронами древесных растений. Большое значение имеет ветровое перераспределение твердых осадков. Почвы под лесом и лесополосами в зонах лесостепи и степи весной получают больше влаги, чем почвы полей. Разница в величине весеннего увлажнения почв под древесной растительностью и полем в этих условиях может достигать 50 % и более.

2. Конденсация паров воды, содержащихся в почвенном воздухе. Количественные значения этого явления невелики, так как конденсация происходит лишь в самом поверхностном слое почвы толщиной 10—15 см. Исключение составляют грубозернистые почвы и породы — крупнозернистые пески, гравий, щебнистые образования. Парообразная влага из атмосферы проникает в эти почвы на значительную глубину и, конденсируясь там, заметно пополняет запасы почвенной влаги и грунтовых вод.

3. Поступление в почву влаги из ГВ. Обычно ГВ располагаются на большой глубине, исключающей возможность их связи с почвами. И только там, где эти воды приближаются к поверхности (чаще всего в понижениях рельефа и шлейфах склонов), они вступают в капиллярную связь с почвами. В периоды, когда осадки не выпадают и доминирует испарение воды из почвы, влага ГВ, капиллярно поднимаясь в верхние слои почвы, пополняет ее запасы.

4.Расходование за счет поверхностного стока. Величина поверхностного стока зависит от угла наклона поверхности, количества осадков, интенсивности поступления их на поверхность почвы, от водопроницаемости почвы, ее влажности, а весной и от степени промерзания. С участков, покрытых лесом, сток всегда значительно меньше, чем сток в безлесных участках (пахотных, луговых и т.п.).

5. Расходование за счет бокового стока. Внутрипочвенный боковой сток широко распространен в почвах, профиль которых имеет горизонты разного гранулометрического состава (например, подзолистые почвы). В этих почвах верхние горизонты (подстилка, гумусовый и подзолистый) обладают значительно большей водопроницаемостью, чем нижележащий иллювиальный горизонт. Благодаря этому в периоды интенсивного поступления влаги в почву над иллювиальным горизонтом скапливается значительное количество влаги. Возникает водоносный горизонт — почвенная верховодка. При наличии уклона почвенная верховодка начинает стекать, образуя внутрипочвенный боковой сток.

6. Расходование за счет испарения и десукции. Влага, не израсходованная на сток, возвращается из почвы в атмосферу. Большая часть влаги из почвы извлекается корнями растений и поступает в атмосферу в процессе транспирации и десукции. Часть влаги расходуется из почвы путем физического испарения, минуя растительные организмы. Общее количество влаги, возвращающейся в атмосферу, характеризует величину суммарного испарения, или величину эвапотранспирации.

Разница между поступившей в почву влагой и ее расходом и составляет суть водного баланса, который может быть как положительным (почвы обеспечены в той или иной мере влагой), так и отрицательным (дефицит влаги в почве).

Тепловой режим почв

Под тепловым режимом почвы понимают совокупность и определенную последовательность теплообмена в системе: приземный слой воздуха — растения — почва — подстилающая порода, а также совокупность процессов теплопереноса, теплоаккумуляции и теплорассеивания в самой почве. Он изучен слабее, чем водный режим. Систематически исследован лишь температурный режим (температура почв во времени).

Температура почвы — наиболее динамичная величина, она быстрее, чем другие параметры почвы, приходит в равновесие с окружающей средой. Температура почвы во многом зависит от тепловых свойств самих почв.

Тепловые свойства почв.Лучистая энергия Солнца, поглощаясь поверхностью почвы и превращаясь в тепловую энергию, может аккумулироваться, передвигаться от слоя к слою или излучаться с поверхности благодаря тепловым свойствам почв. Основные тепловые свойства почвы — теплопоглотительная способность, теплоемкость и теплопроводность.

Теплопоглотителъная способность — поглощение почвой лучистой энергии Солнца. Ее обычно характеризуют величиной альбедо, показывающей, какую часть поступающей лучистой энергии отражает почва. Для идеально отражающей поверхности альбедо составляет 100 %, а для абсолютно черного тела, целиком поглощающего лучистую энергию Солнца, стремится к нулю.

Теплоемкость — свойство почвы поглощать теплоту. Теплоемкость зависит от минералогического, гранулометрического состава и влажности почвы, а также от содержания в ней органического вещества. Глинистые почвы более влагоемки и весной медленно прогреваются, поэтому их называют «холодными» почвами. Легкие почвы (песчаные, супесчаные) весной прогреваются быстрее, вследствие чего их называют «теплыми». Кроме того, чем гумуси-рованнее почва, тем она более теплоемка. Теплоемкость рыхлых почв, отличающихся высокой пористостью аэрации, значительно выше, чем теплоемкость плотных почв.

Теплопроводность — способность почвы проводить теплоту. В почве тепло передается различными путями: через разделяющие твердые частицы воду или воздух; при контакте частиц между собой; излучением от частицы к частице; конвекционной передачей тепла через газ или воду. На теплопроводность влияют химический и гранулометрический состав, влажность, содержание гумуса, плотность и температура почвы. По сравнению с тяжелыми почвами почвы легкого гранулометрического состава имеют большую величину теплопроводности. Обратная зависимость обнаруживается между пористостью и теплопроводностью: при увеличении пористости от 30 до 70 % теплопроводность уменьшается в 6 раз. При одинаковой плотности более влажная почва характеризуется большей теплопроводностью, чем сухая.

В зависимости от соотношения количества энергии, поглощаемой поверхностью почвы, и количества энергии, расходуемой на излучение, нагрев воздуха и испарение влаги, поверхность почвы будет нагреваться или охлаждаться. Поверхностный слой почвы служит источником теплоты для остальной толщи почвы, в которой она распространяется вследствие присущей почве теплопроводности.

Количество поступающей на поверхность почвы лучистой энергии подчинено суточной и годовой периодичности. В течение суток в почве наблюдаются одна волна нагревания и одна волна охлаждения. Первая возникает на поверхности почвы с восходом солнца и заканчивается в 14 ч, вторая возникает на поверхности в 14 ч и заканчивается с восходом Солнца. Максимальные и минимальные температуры на разных глубинах наступают не одновременно, а с запозданием тем большим, чем больше глубина. Наибольшая амплитуда колебаний температуры в течение суток характерна для поверхностного слоя почвы. С глубиной суточные колебания температуры уменьшаются и на глубине около 50 см температура в течение суток не изменяется.

Наиболее отчетливо годовой цикл изменения температуры выражен в почвах умеренных широт. Поверхность этих почв с марта начинает нагреваться, причем особенно быстро в апреле, после таяния снега. В июле нагревание поверхности прекращается и сменяется охлаждением, которое продолжается до марта. И здесь с глубиной наблюдается запаздывание моментов наступления максимальных и минимальных температур. В летние месяцы наибольшие средние суточные температуры отмечаются на поверхности почвы; с глубиной они убывают сначала быстро, а затем постепенно. В зимние месяцы распределение обратное: температура нарастает с глубиной. Переход от зимнего распределения к летнему происходит в конце апреля, а от летнего к зимнему — в начале сентября. Амплитуды годовых колебаний подчиняются той же закономерности, что и амплитуда суточных колебаний: они достигают наибольшей величины на поверхности, уменьшаясь с глубиной. Зона активной сезонной динамики ограничена 3 — 4 м. На глубине 6 м годовое колебание температуры составляет 1 °С.

Типы теплового режима почв.Классификация тепловых режимов почв основана на признаках, относящихся к промерзанию почвы. В ней обособлены три уровня, из которых наиболее значимы два первых — классы (группы) и подклассы (типы).

1. Мерзлотный. Подстилается многолетнемерзлыми породами. Протаивает на глубину до 100 см. Температура самого теплого месяца не выше 20 °С.

2. Длителъносезоннопромерзающий. Подстилается талыми породами, под толщей которых возможно залегание многолетнемерз-лых пород. Промерзает до глубины 100—300 см в течение не менее 5 — 6 месяцев. Температура самого теплого месяца от 10 до 25 °С.

3. Сезоннопромерзающий. Подстилание многолетнемерзлыми породами отсутствует. Промерзание до глубины 20 — 200 см продол жительностью менее 5 — 6 месяцев. Температура самого теплого месяца 20 —30 °С.

4.Непромерзающий охлаждающийся. Положительные температуры самого холодного месяца не выше 5 "С. Температура самого теплого месяца до 35 °С.

5. Непромерзающий теплый. Положительные температуры самого холодного месяца от 5 до 20 "С.

6. Непромерзающий жаркий. Температура почвы в течение всего года выше 20 "С.