Категории (формы) и свойства почвенной воды

1. Твердая вода – лед –потенциальный источник жидкой и парообразной воды, в которую он переходит в результате таяния и испарения. Эту воду растения непосредственно не используют. Появление воды в форме льда может иметь сезонный (сезонное промерзание почвы) или многолетний («вечная» мерзлота) характер. Т. к. почвенная вода – это всегда раствор, температура замерзания воды в почве ниже 0°С.

2. Химически связанная вода (конституционнаяикристаллизационная).Первая из них представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, марганца; органические и органоминеральные соединения; глинистые минералы); вторая – целыми водными молекулами кристаллогидратов, преимущественно солей: полугидрат (CaSO₄×1/2Н₂О), гипс (CaSO₄×2H₂O), мирабилит (Na₂SО₄×10Н₂О). Конституционную и кристаллизационную воду иногда объединяют общим понятием гидратнойили кристаллогидратной воды.

Эта вода входит в состав твердой фазы почвы и не является самостоятельным физическим телом, не передвигается и не обладает свойствами растворителя

3. Парообразная водасодержится 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. Одна и та же почва может поглощать различное количество паров воды из атмосферного воздуха в зависимости от упругости пара: чем она больше, т. е. чем ближе припочвенный воздух к состоянию насыщения водяным паром, тем больше количество парообразно поглощенной воды в почве. Почвенный воздух обычно насыщен парами воды, и небольшое понижение температуры почвы вызывает конденсацию пара ® парообразная вода переходит в жидкую; при повышении температуры происходит обратный процесс. Пары воды в перемещаются в почве от участков с высокой упругостью пара к участкам с более низкой упругостью (активное движение), а также вместе с током воздуха (пассивное движение).

4. Физически связанная,илисорбированная, вода –вода, сорбированная на поверхности почвенных частиц (обладающих поверхностной энергией) за счет сил притяжения. Молекулы воды при соприкосновении с почвенными частицами притягиваются к ним, образуя вокруг них пленку. Удержание молекул воды происходит силами сорбции. Все молекулы сорбированной воды находятся в строго ориентированном положении.

* Прочносвязанная (гигроскопическая) вода поглощается почвой из парообразного состояния. Свойство почвы сорбировать парообразную воду – гигроскопичность почвы. Вода удерживается у поверхности почвенных частиц очень высоким давлением ~ (1 – 2) ×10⁹ Па, образуя вокруг почвенных частиц тончайшие пленки. Высокая прочность удержания делает гигроскопическую воду полностью неподвижной. По физическим свойствам прочносвязанная вода приближается к твердым телам. Плотность ее достигает 1,5 – 1,8 г/см³, она не замерзает, не растворяет электролиты, отличается повышенной вязкостью и недоступна растениям.

* Рыхлосвязанная (плёночная) вода. Почва, насыщенная влагой до состояния МГ, при соприкосновении с водой проявляет способность сорбировать жидкую воду. Вода, удерживаемая в почве сорбционными силами сверх МГ – это вода рыхлосвязанная, или плёночная. Она удерживается почвенными частицами с меньшей силой, чем гигроскопическая вода (~ l ¸ 10 ×10⁵ Па). Рыхлосвязанная вода – это также пленка, образовавшаяся вокруг почвенной частицы, но пленка полимолекулярная. Толщина ее может достигать нескольких десятков и даже сотен диаметров молекул воды. Очень тонкие поры могут быть целиком заполнены связанной водой. По физическому состоянию рыхлосвязанная вода очень неоднородна (из-за различной прочности связей молекул различных слоев) ® она находится в вязко-жидкой форме, т. е. занимает промежуточное положение между водой прочносвязанной и свободной.

5. Свободная водасодержится в почве сверх рыхлосвязанной и находится уже вне зоны действия сорбционных сил притяжения со стороны почвенных частиц ® у этой категории воды отсутствует ориентировка молекул воды около почвенных частиц. Различают две формы свободной воды почве – капиллярную и гравитационную.

* Капиллярная вода удерживается в почве в порах малого диаметра – капиллярах, под действием капиллярных (менисковых) сил. Возникают эти силы потому, что поверхностный слой жидкости по своим свойствам отличается от внутренних слоев. Если на каждую молекулу воды внутри жидкости равномерно действуют силы притяжения и отталкивания со стороны окружающих молекул, то молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, испытывают одностороннее, направленное вниз притяжение только со стороны молекул, лежащих ниже поверхности раздела вода/воздух (силы, действующие вне жидкости, относительно малы и ими можно пренебречь). Т. о., поверхностные молекулы находятся под действием сил, стремящихся втянуть их внутрь жидкости ® поверхность любой жидкости стремится к сокращению. Наличие у поверхностных молекул жидкости ненасыщенных, неиспользованных сил сцепления – источник избыточной поверхностной энергии, также стремя-щейся к уменьшению ® на поверхности жидкости образуется как бы пленка, обладающая поверхностным натяжением (или поверхностным давлением, равным разнице между атмосферным давлением и давлением жидкости).

Капиллярная вода по физическому состоянию жидкая. Она высокоподвижна, способна восполнять запасы воды в поверхностном горизонте почвы при потреблении ее растениями или при испарении, свободно растворяет вещества и перемещает растворимые соли, коллоиды, тонкие суспензии.

В зависимости от характера увлажнения различают капиллярно-подвешенную, капиллярно-подпертую и капиллярно-посаженную воду.

* Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почв сверху (после дождя или полива), при этом под промоченным слоем всегда имеется сухой слой, т. е. связь увлажненного горизонта с водоносным горизонтом отсутствует. Сохраняется в почве длительное время, являясь доступной для растений – с экологической точки зрения это наиболее ценная форма воды.

Одна из разновидностей капиллярно-подвешенной воды – стыковая капиллярно-подвешенная вода. Она встречается главным образом в песчаных почвах, т. к. в этих почвах преобладают поры, размер которых превышает размер капилляров, и вода присутствует в виде разобщенных скоплений в местах соприкосновения (стыка) твердых частиц в форме двояковогнутых линз («манжеты»), удерживаемых капиллярными силами.

* Капиллярно-подпертая водаобразуется в почвах при подъеме снизу от грунтовых вод по капиллярам на некоторую высоту; это вода, подпираемая водоносным горизонтом. Слой почвы или грунта, содержащий капиллярно- подпертую воду непосредственно над водоносным горизонтом, называется капиллярной каймой. В почвах тяжелого механического состава она обычно больше (2 – 6 м), чем в почвах песчаных (40 – 60 см). Содержание воды в кайме уменьшается снизу вверх. В песчаных почвах это происходит более резко.

* Капиллярно-посаженная вода (подперто-подвешенная) образуется в слоистой почвенно-грунтовой толще, в мелкозернистом слое при подстилании его слоем более крупнозернистым, над границей смены этих слоев.

Влажность слоистой почвенно-грунтовой толщи при прочих равных условиях всегда выше влажности толщи однородной.

* Гравитационная вода передвигается под действием силы тяжести, т. е. находится вне влияния сорбционных и капиллярных сил почвы. Для нее характерны жидкое состояние, высокая растворяющая способность и возможность переносить в растворенном состоянии соли, коллоидные растворы, тонкие суспензии. Гравитационную воду делят на просачивающуюся гравитационную и воду водоносных горизонтов (подпертая гравитационная вода).

* Просачивающаяся гравитационная вода передвигается по порам и трещинам почвы сверху вниз. Появление ее связано с накоплением в почве воды, превышающей удерживающую силу менисков в капиллярах.

* Вода водоносных горизонтов – это грунтовые, почвенно-грунтовые и почвенные воды (почвенная верховодка), насыщающие почвенно-грунтовую толщу до состояния, когда все поры и промежутки в почве заполнены водой (за исключением пор с защемленным воздухом). Эти воды могут быть либо застойными, либо стекающими в направлении уклона водоупорного горизонта. Удерживаются они в почве вследствие малой водопроницаемости подстилающих грунтов.

Почвенный воздух, или газовая фаза – важнейшая и наиболее мобильная составная часть почвы, находящаяся в тесном взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами; её изменчивость отражает биологические и биохимические ритмы почвообразования. Почвенным воздухом называется смесь газов и летучих органических соединений, заполняющих поры почвы, свободные от воды. Количество и состав почвенного воздуха влияют на развитие и функционирование растений и микроорганизмов, на растворимость и миграцию химических соединений в почвенном профиле, на интенсивность и направленность почвенных процессов. Главные источники газовой фазы почвы – атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве. С атмосферным воздухом в почву поступает кислород, необходимый для дыхания корней растений, аэробных микроорганизмов, почвенной фауны. В процессе дыхания О₂ потребляется с выделением CO₂.

Процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным – газообмен (аэрация) – важнейший фактор, определяющий продуктивность почв.