Почвенная вода, водные свойства и водный режим почв. Плодородие почв.

План

1. Почвенная вода.

2. Водные свойства почв.

3. Водный режим почв.

4. Регулирование водного режима.

5. Плодородие почвы.

Почвенная вода.

Почва как многофазная, полидисперсная система способна поглощать и удерживать воду. В ней всегда находится определенное количество влаги. Содержание влаги в процентах к массе сухой почвы (высушенной при 105 ºС) характеризует влажность почвы. Последнюю можно выражать также в процентах от объема почвы, в м³/га, в мм. Вода поступает в почву в виде атмосферных осадков, грунтовых вод, при конденсации водяных паров из атмосферы, при орошении. Главным источником воды в неорошаемом земледелии являются атмосферные осадки. Почвенная вода - жизненная основа растений, почвенной фауны и микрофлоры, получающих воду главным образом из почвы. Растения расходуют воду в огромном количестве. Для создания 1 г сухого вещества потребляется от 200 до 1000 г воды. С водой в растения поступают питательные вещества.

От содержания воды в почве зависят интенсивность протекающих в ней биологических, химических, физико-химических процессов, передвижение веществ в почве, водно-воздушный, питательный и тепловой режимы, ее физические свойства, то есть важнейшие показатели почвенного плодородия. Следовательно, почвенная вода оказывает прямое и косвенное влияние на развитие растений. 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. Поэтому в одинаковых климатических условиях, на полях, одинаково обработанных и имеющих ровную поверхность, содержание влаги в почве может быть различно. 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.

Основы учения о почвенной воде заложены А. А. Измаильским, Г. Н. Высоцким, Н. П. Адамовым, П. С. Коссовичем. Обстоятельно изложены водные свойства и водные режимы в трудах А. Ф. Лебедева, С. И. Долгова, А. Н. Роде, Н. А. Качинского и других ученых.

Вода в почве может находиться во всех трех состояниях: твердом (лед), жидком и парообразном. Парообразная вода содержится в почвенном воздухе, в порах, свободных от воды. 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. Почвенный воздух обычно насыщен парами воды. Относительная влажность почвенного воздуха близка к 100 %. На перемещение паров воды в почве большое влияние оказывает температура почвы. С повышением температуры увеличивается давление водяного пара и он передвигается от теплых слоев почвы к более холодным. В связи с этим отмечаются в почве восходящие и нисходящие сезонные и суточные потоки водяного пара. Конденсируясь, пар переходит в жидкую воду.

Твердая вода- лед - потенциальный источник жидкой и парообразной воды. Эту воду непосредственно не используют растения, хотя она и может служить резервом доступной влаги, Лед переходит в жидкое и парообразное состояние при температуре выше О ºС.

Жидкая и парообразная вода в почве подвергается воздействию различных природных сил: сорбционных, капиллярных, осмотических, гравитационных. На поверхности раздела твердой фазы почвы с жидкой проявляются сорбционные и капиллярные силы, природа которых обусловлена поверхностной энергией твердых частиц и воды. Поглощение твердыми частицами почвы молекул парообразной и жидкой воды называется процессом сорбции воды.

Капиллярные силы возникают на границе раздела твердая фаза почвы - вода и воздух в капиллярных порах и обусловлены поверхностным натяжением воды и явлением смачивания. Сорбционные и капиллярные водоудерживающие силы в почве противостоят гравитационным, под влиянием которых создается нисходящее передвижение влаги.

Осмотические силы в почве обусловливаются взаимодействием ионов растворенных веществ (включая и обменные катионы) с молекулами воды.

Потенциал почвенной влаги характеризует энергию удержания воды. В почве, насыщенной водой, потенциал почвенной влаги практически равен нулю. С уменьшением влажности потенциал падает, а отрицательное его значение возрастает. Вода всегда движется из зоны с высокдм потенциалом в зону с более низким. Поэтому по мере иссушения почвы одновременно растет способность почвы поглощать, всасывать воду. Такая способность получила название сосущей силы, или всасывающего давления, эквивалентной потенциалу почвенной влаги.

Выделяют следующие основные категории и формы почвенной воды, различающиеся между собой прочностью связи с твердой фазой почвы и степенью подвижности.

Связанная вода образуется путем сорбции парообразной и жидкой воды на поверхности твердых частиц почвы. Различают прочносвязанную и рыхлосвязанную воду.

Прочносвязанная (гигроскопическая) вода образуется в результате адсорбции паров воды на поверхности твердых частиц почвы, непосредственно примыкает к ним в виде пленки из 2-3 ориентированных слоев молекул воды. Гигроскопическая вода удерживается очень прочно, совершенно недоступна растениям, отличается по свойствам от свободной воды. Обладает повышенной плотностью, низкой электропроводностью, не растворяет вещества, растворимые в свободной воде, замерзает при низкой температуре (от -4 до -78 ºС).

Рыхлосвязанная (пленочная) вода. Сорбционные силы поверхности почвенных частиц не насыщаются полностью за счет парообразной воды. При соприкосновении твердых частиц почвы с жидкой водой образуется дополнительная пленка из слабоориентированных молекул воды. Дополнительно сорбированная вода называется рыхлосвязанной, удерживается менее прочно, может передвигаться от почвенной частицы с большей пленкой к тем частицам, где пленка тоньше. Для растений доступна лишь частично.

Свободная вода не связана силами притяжения с почвенными частицами, доступна растениям. Различают две формы свободной воды в почве – капиллярную и гравитационную.

Капиллярная водазаполняет капиллярные поры, передвигается в них под влиянием капиллярных сил. В зависимости от характера увлажнения различают капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую воду. При увлажнении почвы сверху (атмосферные осадки, оросительные воды) формируется капиллярно-подвешенная вода, среди которой выделяется несколько видов влаги: пленочно-подвешенная - часть капиллярной воды, разобщенная «пробками» пленочной воды. Характерна для почв суглинистого и глинистого механического состава; внутриагрегатная подвешенная - вода, заполняющая капилляры комочков структурной почвы; стыковая подвешенная влага представлена отдельными разобщенными водными скоплениями на стыке между твердыми частицами почвы. Характерна для песчаных почв. При увлажнении почвы снизу (от грунтовых вод) в почве образуется капиллярно-подпертая вода.

Гравитационная вода размещается в крупных некапиллярных порах, легко передвигается по профилю почвы под действием гравитационных сил.

Водные свойства почв.

Основными водными свойствами почв являются водоудерживающая способность, водопроницаемость и водоподъемная способность.

Водоудерживающая способность - свойство почвы удерживать воду, обусловленное действием сорбционных и капиллярных сил, Наибольшее количество воды, которое способна удерживать почва теми или иными силами, называется влагоемкостью. Способность почвы сорбировать парообразную воду называется гигроскопичностью. Содержание гигроскопической воды (Г) в почве зависит от относительной влажности воздуха и свойств самой почвы. Чем тяжелее ее механический состав, чем больше в ней содержится органических и минеральных коллоидов, тем выше гигроскопическая влажность.

Наибольшее количество прочносвязанной, строго ориентированной воды, удерживаемой адсорбционными силами, характеризует максимальная адсорбционная влагоемкость(МАВ). По сравнению с гигроскопической влажностью максимальная гигроскопическая влажность для данной почвы довольно стабильная величина

Наибольшее возможное содержание рыхлосвязанной воды, удерживаемой сорбционными силами или силами молекулярного притяжения, характеризует максимальная молекулярная влагоемкость(ММВ).

Рыхлосвязанная вода, постепенно наращивая толщину пленок с притоком влаги, переходит в свободную, не связанную с почвенными частицами воду, которая со временем целиком заполняет капиллярные поры (капиллярная вода) и некапиллярные поры (гравитационная вода). Когда в почве все поры заполнены водой, наступает состояние увлажнения, называемое полной влагоемкостью или водовместимостью.Наибольшее количество воды, которое остается в почве после обильного увлажнения и стекания всей гравитационной воды при отсутствии слоистости почвы и подпирающего действия грунтовых вод, называется наименьшей или предельно-полевой влагоемкостью(НВ или ППВ). Она дает представление о наибольшем количестве воды, которое почва способна накопить и длительное время удерживать.

Максимальное количество капиллярно-подпертой влаги, которое может содержаться в почве над уровнем грунтовых вод, называется капиллярной влагоемкостью(КВ). Она зависит, помимо свойств самой почвы, от того, на какой высоте от уровня грунтовых вод ее определяют. Чем ближе к зеркалу грунтовых вод, тем выше капиллярная влагоемкость для данной почвы.

Водопроницаемость - способность почвы впитывать и пропускать воду. Водопроницаемость измеряется объемом воды, протекающей через единицу площади поверхности почвы в единицу времени, выражается в мм водного столба в единицу времени. Водопроницаемость зависит от общего объема пор в почве, их размера. В легких по механическому составу почвах поры крупные и водопроницаемость всегда высокая. В суглинистых и глинистых почвах количество и размер пор зависят от структурного состояния. Суглинистые и глинистые почвы, обладающие водопрочной комковатозернистой структурой, также отличаются высокой водопроницаемостью. В почвах тяжелого механического состава с глыбисто-пылеватой структурой водопроницаемость низкая. При низкой водопроницаемости в районах достаточного увлажнения может происходить вымочка культур, застаивание воды на поверхности, стекание ее по уклону и развитие эрозии. При очень высокой водопроницаемости не создается хороший запас воды в корнеобитаемом слое почвы, а в орошаемом земледелии наблюдается большая потеря поливной воды, что приводит к подъему уровня грунтовых вод.

Водоподъемная способность - свойство почвы вызывать восходящее передвижение содержащейся в ней влаги за счет капиллярных сил. Капиллярные силы начинают проявляться в порах диаметром 8 мм, но особенно ярко выражены в порах диаметром 0,1--0,003 мм. Более тонкие поры заполнены связанной водой. Поэтому водоподъемная способность растет от песчаных почв к суглинистым и снижается в глинистых. Благодаря капиллярным явлениям и водоподъемной способности почв грунтовые воды участвуют в дополнительном снабжении растений водой, развитии восстановительных процессов и засоления в почвенном профиле.

Водный режим почв.

Водным режимом называют всю совокупность явлений поступления влаги в почву, ее передвижения, удержания в почвенных горизонтах и расхода из почвы. Количественно его выражают через водный баланс. Водный баланс характеризует приход влаги в почву и расход из нее.

Общее уравнение водного баланса выражают формулой

Во+Вос+Вг+Вк +Впр+В_б = Еисп + Е_т +В_и+В_с+В₁ +В_п,

где Во - запас влаги в почве в начале наблюдения; Вос - сумма осадков за весь период наблюдения; В_г - количество влаги, по­ступающей из грунтовых вод; В_к - количество влаги, конденсирующейся из паров воды; В_пр - количество влаги, поступающей в результате поверхностного притока воды; В_б - количество влаги, поступающей от бокового притока почвенных и грунтовых вод; Е_исп - количество влаги, испарившейся с поверхности почвы за весь период наблюдения, физическое испарение; Е_т - количество влаги, расходуемой на транспирацию (десукция); В_и - влага, инфильтрующаяся в почвенно-грунтовую толщу; В_п - количество воды, теряющейся в результате поверхностного стока; Вс -- влага, теряющаяся при боковом внутрипочвенном стоке; В₁ - запас влаги в почве в конце периода наблюдения..

Левая часть уравнения включает приходные статьи баланса, правая - расходные.

Водный баланс может быть составлен применительно к разным почвенным слоям, всей толще почвы или до определенной глубины. Чаще всего запасы влаги, статьи приход и расхода ее в почве вычисляют в миллиметрах водного слоя или вм³/га. В агрономической практике важно учитывать общий и полезный запасы воды в почве.

Общий запас воды (ОЗВ) - суммарное ее количество на заданную мощность почвы, выраженное в м³/га (или миллиметрах водяного столба). Полезный запас воды в почве (ПЗВ) - суммарное количество продуктивной, или доступной растениям, влаги толще почвогрунта. Чтобы рассчитать полезный запас влаги в почве, нужно вычислить общий запас влаги (03В) и запас труднодоступной влаги (3ТВ).

Водный баланс складывается неодинаково для различных почвенно-климатических зон и отдельных участков местности. В зависимости от соотношения основных статей годового водного баланса может быть несколько типов водного режима почв. Практически характер водного режима определяют по соотношению между количеством осадков по средним многолетним данным и испаряемостью за год. Отношение годовой суммы осадков к годовой испаряемости называют коэффициентом увлажнения(КУ). В различных природных зонах КУ колеблется от 3 до 0,1.

1. Мерзлотный тип. Имеет место в районах распространения многолетней мерзлоты.

2. Промывной тип(КУ>1). Характерен для местностей, где сумма годовых осадков больше величины испаряемости. В годовом цикле влагооборота нисходящие токи преобладают над восходящими. Почвенная толща ежегодно весной и осенью подвергается сквозному, что приводит к интенсивному выщелачиванию продуктов почвообразования. В таких условиях формируются почвы подзолистого типа, красноземы и желтоземы.

3. Периодически промывной тип (КУ = 1, при колебаниях 1,2-0,8) характеризуется средней многолетней сбалансированностью осадков и испаряемости. Для водного режима характерно чередование ограниченного промачивания почвенно-грунтовой толщи (непромывные условия) в сухие годы и сквозное промачивание (промывной тип водного режима) во влажные. Такой водный режим присущ серым лесным почвам, черноземам оподзоленным и выщелоченным.

4. Непромывной тип (КУ <1) свойствен местностям, где влага осадков распределяется только в верхних горизонтах и не достигает грунтовых вод. Обмен влагой происходит путем передвижения воды в форме пара. Такой водный режим характерен для степных почв - черноземов и каштановых, бурых полупустынных и серо-бурых пустынных почв. В верхних горизонтах почв нисходящие токи влаги преобладают над восходящими.

5. Выпотной тип (КУ < 1) проявляется в степной, особенно в полупустынной и пустынной зонах при близком залегании грунтовых вод. Характерно преобладание восходящих потоков влаги в почве за счет подтока ее покапиллярам от грунтовых вод. При высокой минерализации грунтовых вод в почву поступают легкорастворимыесоли и почва засоляется.

6. Ирригационный тип. Создается при дополнительном увлажнении почвы оросительными водами. При орошении в разные периоды проявляются разные типы водного режима. В период полива формируется промывной тип, сменяющийся затем непромывным и даже выпотным, вследствие чего в почве периодически создаются нисходящие и восходящие токи воды.