ЛЕКЦИЯ 12 ВОДНЫЕ СВОЙСТВА И ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ

ЛЕКЦИЯ 12: ВОДНЫЕ СВОЙСТВА И ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ

Вода – один из незаменимых факторов, определяющих жизнедеятельность организмов. Ей принадлежит важнейшая роль в процессах выветривания горных пород и почвообразовании. Роль воды в почвообразовательном процессе настолько существенно, что Г. Н. Высоцкий сравнил её с кровью организма. В результате перемещения водой органический, органоминеральных и минеральных соединений формируется почвенный профиль. Исключительно велика роль воды в плодородии почвы и жизни растений. Нормальное развитие растений и почвенных микроорганизмов невозможно без достаточного количества влаги. Для создания 1 грамма сухого вещества растения расходуют от 200 до 1000 грамм воды. Вода как терморегулирующий фактор, определяет расход тепла из почвы и растений вследствие испарения и транспирации. С влажностью почвы тесно связаны её физико-механические свойства. Передвижение влаги в почве и по её поверхности обусловливает некоторые процессы, отрицательно влияющие на плодородие (эрозия, вынос питательных веществ).

Формы почвенной влаги. Диполи воды, представляющие собой тела с двумя полюсами, несущими заряды противоположного знака, способны ассоциироваться друг с другом, притягиваться ионами и коллоидными частицами. Явление притягивания диполей воды ионами и почвенными частицами называется гидратацией. Оно выражается в образовании гидратной оболочки вокруг ионов и коллоидных частиц. Гидратация почвенных частиц связана с сорбцией парообразной и жидкой влаги. Осмос – проникновение растворителя (воды) через полупроницаемую плёнку в раствор. Давление, развивающееся в сосуде с полупроницаемой стенкой, называется осмотическим. Осмотические явления в почве наблюдаются в двух случаях: 1) когда взаимодействуют вода и обменные катионы; 2) когда почвенный раствор имеет неодинаковую концентрацию в различных участках почвенной толщи. Обмены катионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц, притягиваю к себе из почвенного раствора молекулы воды, которые стремятся создать вокруг катионов оболочку, способную отжать их от поверхности почвенных частиц.

Менисковые или капиллярные силы, обусловливаются поверхностным натяжением воды. Молекула поверхностного слоя воды находятся под влиянием односторонне направленного притяжения, которое оказывает давление на всю массу жидкости. Для воды оно достигает 11 тысяч атмосфер. Вследствие этого поверхность воды обладает некоторым количеством свободной поверхностной энергии, величина которой пропорциональна поверхности жидкости. Вода хорошо смачивает большинство тел. Явление смачивания вызывает искривление поверхности жидкости у стенок сосуда, в которой заключена вода. Если сосуд имеет большой диаметр, то значительная часть поверхности остается плоской, а искривляется в силу смачивания только край её. В сосудах с малым диаметром искривление поверхности жидкости у стенок вызывает образование мениска, имеющего для воды вогнутую форму. Мениски образуются лишь в трубках с очень малым поперечником. Чем меньше диаметр капилляра, тем больше кривизна мениска.

Гравитационные силы главным образом влияют на влагу, сосредоточенную в крупных порах почвы. В природных условиях влияние отдельных сил на почвенную влагу очень сложно разграничивается. Для характеристики совокупности сил различной природы введено понятие термодинамического потенциала почвенной влаги. Полный термодинамический потенциал почвенной влаги является суммой четырёх частных потенциалов: осмотического, гравитационного, капиллярно-сорбционного и пневматического, или потенциала внешнего газового давления.

Выделяют следующие основные категории почвенной влаги, различающиеся между собой прочностью связи с твёрдой фазой почвы и степени подвижности. Кристаллизационная (конституционная) влага – отличается исключительной и полной неподвижностью. Твёрдая влага – лёд. Неподвижная влага. Парообразная влага – передвигается в форме водяного пара от участков с высокой абсолютной упругостью к участкам с более низкой упругостью. Прочносвязанная влага – весьма прочно удерживается адсорбционными силами, присущими почвенным частицам, образует на поверхности последних тонкую плёнку толщиной в 2 -3 молекулы. Может передвигаться только в парообразном состоянии. Рыхлосвязанная влага удерживается на поверхности тонких плёнок прочносвязанной воды силой ориентированных молекул, а также за счет гидратирующей способности обменных ионов. Передвигается под действием сорбционных сил. Свободная влага не связана силами притяжения с почвенными частицами, передвигается под влиянием капиллярных и гравитационных сил. Свободная влага делится на три формы – подвешенная, подпёртая гравитационная и свободная гравитационная.

Границы значений влажности, характеризующие пределы появления различных категорий и форм почвенной влаги, называются почвенногидрологическими константами. Выделяют пять основных почвенногидрологических констант, которые выражают в процентах от веса или объёма почвы. Максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ) – наибольшее количество прочносвязанной воды, удерживаемое силами адсорбции; влага недоступна для растений; Максимальная гигроскопичность (МГ) – наибольшее количество влаги, которая почва может сорбировать из воздуха, почти насыщенного водяным паром; влага недоступная растениям; Почвенная влажность устойчивого завядания растений (ВЗ) – влажность, при которой растения начинают обнаруживать признаки завядания, не исчезающие при перемещении в атмосферу, насыщенную водяными парами; нижний предел доступной растениям влаги; Наименьшая, или полевая влагоемкость (НВ) – наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги; верхний предел доступной для растений влаги; Полная влагоемкость, или полная водовместимость (ПВ) – наибольшее количество влаги, которое может содержаться в почве при условии заполнения всех пор; сумма прочносвязанной, рыхлосвязанной и свободной воды в почве.

Водные свойства почв. Важнейшими водными свойствами почв являются водоудерживающая способность (сорбция воды), влагоемкость, водопроницаемость и водоподъемная способность. Сорбция воды (способность поглощать влагу) тем сильнее проявляется в почве, чем больше степень её дисперсности. Сорбция зависит от механического, минералогического и химического состава почвы, а также от её гумусированности. Различают три вида сорбции – хемосорбцию, сорбцию парообразной воды и адсорбцию жидкой влаги. Свойство воды сорбировать парообразную влагу называется гигроскопичностью, а поглощенная влага получила название гигроскопической. Гигроскопическую влажность выражают в процентах от веса абсолютно сухой почвы. Чем тяжелее почва по механическому составу, чем больше содержится в ней коллоидных частиц и чем больше гумуса, тем выше её гигроскопичность.

Влагоемкость – способность почвы удерживать влагу, поступающее извне. По мере поступления оды в сухую почву происходит адсорбция паров из воздуха. Процесс адсорбции в дальнейшем сменяется капиллярным впитыванием. В зависимости от сил, удерживающих влагу в почвах, различаю капиллярную, наименьшую (полевую) и полную влагоемкости. Когда в почве все поры заполнены водой наступает состояние увлажнения, называемое полной влагоемкостью или водовместимостью. Если отсутствует водоупорный слой и влага в толще почвы не подпирается грунтовыми водами, излишек воды сверх уровня полевой влагоемкости стекает, «проваливается» в глубокие горизонты. Водопроницаемость – способность почвы воспринимать воду и передвигать её вниз под действием силы тяжести. Различают две стадии водопроницаемости – впитывание и фильтрация. Когда поры почвы лишь частично заполнены водой, тогда при поступлении воды наблюдается её впитывание в толщу почвогрунта; когда почвенные поры полностью насыщены влагой, происходит фильтрация воды, то есть движение в условиях сплошного потока жидкости.

Водоподъемная способность – способность почвы вызывать капиллярный подъем влаги. Стенки капилляров хорошо смачиваются водой, вследствие чего в них создаются вогнутые мениски, но поверхности которых развивается поверхностное натяжение. В природных условиях максимальная высота капиллярного подъема значительно ниже, чем в лабораторных (для песчаных почв – 0, 5 -0, 7 м, для суглинистых – 3 -6 м). это объясняется неоднородностью поровых пространств и нарушением сплошности капиллярных отверстий в профиле почвы.

Водный режим почвы. Водным режимом называют совокупность всех явлений поступления влаги в почву, её передвижения, удержания в почвенных горизонтах и расходования из почвы. Водный баланс представляет собой количественное выражение водного режима почв. Водный баланс рассматривается как итог, учитывающий начальные и конечные запасы влаги в почве и все статьи прихода и расхода воды за определённый период. Общее уравнение водного баланса выражают формулой:

ВО + ОС + ВГ + ВК + ВН + ВБ = ЕИСП + ЕТ + ВИ + ВП + ВС + В 1, где ВО – запас влаги в почве в начале наблюдения; ОС – сумма осадков за весь период наблюдения; ВГ – количество влаги, поступающей из грунтовых вод; ВК – количество влаги, конденсирующейся из паров воды; ВН – количество влаги, поступающей в результате поверхностного натёка воды; ВБ – количество влаги, поступающей от бокового притока почвенных и грунтовых вод; ЕИСП – количество влаги, испарившейся с поверхности почвы за весь период наблюдения; ЕТ – количество влаги, расходуемой на транспирацию; ВИ – влага, инфильтрующаяся в глубокие горизонты почвы; ВП – количество воды, теряющееся в результате поверхностного стока; ВС – влага, теряющаяся при боковом внутрипочвенном стоке; В 1 – запас влаги в почве в конце периода наблюдения. Величина левой части уравнения – приходные статьи баланса, правой части – расходные.

Типы водного режима почв. Основоположник учения о типах водного режима почв Г. Н. Высоцкий выделял три варианта: Испарение меньше инфильтрации воды в почву – промывной тип водного режима; Испарение равно инфильтрации воды в почву –непромывной тип водного режима; Испарение больше инфильтрации воды в почву – выпотной тип водного режима. Применительно к различным природным условиям Г. Н. Высоцким установлены четыре типа водного режима – промывной, периодически промывной, непромывной и выпотной.

По А. А. Роде, можно выделить шесть типов водного режима почв: Мерзлотный (криогенный); Промывной; Периодически промывной; Непрерывный; Выпотной; Ирригационный. А. А. Роде (1956 г. ) предложил делить основные типы на ряд подтипов. Промывной тип делитя на семь подтипов (таёжный, полуболотный, грунтово-таёжный, грунтово-полуболотный, грунтово-болотный, таёжный глубокопромывной), периодически промывной – на два подтипа (лесостепной и степной потускулярный); непромывной тип на два подтипа (степной с мощным сухим горизонтом и степной); выпотной режим на три подтипа (лугово 0 степной, луговой и солончаковый).