Формы (категории) воды в почве и водно-физические константы

Влага поступает в растения не непосредственно из атмосферы, а через почву. На воду в почве действуют различные силы:

• сила тяжести или гравитации. Под ее влиянием выпадающие

осадки не остаются на поверхности, а стекают вниз и проникают

вглубь почвы, вызывая ее промачивание (рис. 4.2);

Рис. 4.2. Проникновение влаги в почву под действием силы тяжести

• сорбционные силы, или силы молекулярного притяжения. Они притягивают молекулы воды к мелким (менее 1 мм) частицам почвы и удерживает их силой от 50 до десятков тысяч атмосфер (рис. 4.3);

Рис. 4.3. Действие сорбционных сил на молекулы воды

менисковые, или капиллярные, силы. Они действуют в узких (менее 1 мм) порах почвы — капиллярах и препятствуют дальнейшему стеканию воды вниз (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Менисковые, или капиллярные, силы

В результате влага зависает и образуется промоченный слой толщиной до 1,0— 1,5 м, откуда растения берут влагу (рис. 4.5);

Рис. 4.5. Результат действия менисковых, или капиллярных, сил

• осмотические силы. Они вызываются веществами, растворенными в почвенной влаге, например удобрениями, и влекут ее передвижение от мест с меньшей концентрацией этих веществ к местам с их большей концентрацией (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Осмотические силы

В зависимости от сил, которые на нее в основном воздействуют, влага в почве может находиться в нескольких формах или категориях. Они отличаются друг от друга по степени доступности растениям, скорости передвижения, т.е. подвижности и физическому состоянию.

По физическому состоянию различают жидкую влагу, которая усваивается корнями растений, и неусвояемые формы — твердую

(лед) и парообразную, которые могут быть использованы растениями только после таяния или конденсации водяных паров, когда они превращаются в жидкую форму.

Формы (категории) почвенной влаги классифицируют следующим образом (по Роде):

по физическому состоянию:

• 1) усвояемая:
  • — жидкая (свободная);
• 2) неусвояемая:
  • — твердая (лед);
  • — парообразная;

по степени подвижности:

• 1) неподвижная:
  • — химически связанная;
  • — физически связанная;
  • — прочносвязанная (гигроскопическая);
• 2) малоподвижная:
  • — рыхлосвязанная (пленочная);
• 3) легкоподвижная:
  • — капиллярная;
  • — гравитационная;

по степени доступности растениям:

• 1) легкодоступная (продуктивная):
  • — капиллярная;
  • — гравитационная;
• 2) труднодоступная (непродуктивная):
  • — капиллярно-разобщенная;
  • — рыхлосвязанная (пленочная);
• 3) недоступная (непродуктивная):
  • — прочносвязанная (гигроскопическая).

Водяной пар находится в составе почвенного воздуха в порах почвы, не занятых водой. Он активно передвигается от мест с его большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией в результате диффузии, а также пассивно с общим током воздуха, т.е. путем конвекции. Зимой он передвигается из нижних теплых слоев почвы в верхние, где и конденсируется на границе промерзания почвы (так называемая «зимняя перегонка»). В результате в верхнем метровом слое почвы дополнительно накапливается около 10 мм влаги.

В теплое время, напротив, наблюдаются потери парообразной влаги, когда она поднимается вверх и улетучивается в атмосферу. Но может происходить и обратный процесс, когда парообразная влага из атмосферы попадает в почву и ночью, когда почва остывает, конденсируется в ней в виде «внутрипочвенной росы». Это наиболее заметно в приморских районах, где воздух насыщен парами воды, а также на легких почвах в районах с континентальным климатом, где днем почва сильно прогревается, а ночью быстро остывает.

По степени подвижности, т.е. скорости передвижения в почве, различают три категории влаги: неподвижная, трудноподвижная, малоподвижная и легкоподвижная.

Неподвижная влага представлена химически связанной, которая входит в состав почвенных минералов, и физически связанной, или гигроскопической. Гигроскопическая, или прочносвязанная, влага состоит из молекул воды, притянутой к мелким (< 1 мм) частицам почвы сорбционными силами, она передвигается только в виде пара.

Трудноподвижная

(.малоподвижная) влага передвигается очень медленно (несколько сантиметров в год), она представлена рыхлосвязанной, или пленочной, влагой (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Прочно- и рыхлосвязанная формы почвенной влаги

Она находится поверх слоя гигроскопической влаги и передвигается от более толстых пленок к менее толстым.

Легкоподвижная влага состоит из гравитационной и капиллярной влаги. Она передвигается сравнительно быстро и на большие расстояния — до нескольких метров.

Подвижность почвенной влаги определяет ее доступность растениям. Чем дальше и быстрее она передвигается в почве от более увлажненных к менее увлажненным местам, в частности, к зоне иссушения вокруг корней, тем она доступнее растениям.

По степени доступности различают три категории влаги: легкодоступная, труднодоступная и недоступная.

К легкодоступной относятся гравитационная и капиллярная влага, которая удерживается почвой с небольшой силой — до 5—10 атм, поэтому корни растений, имеющие сосущую силу от 5—10 до 50— 100 атм, легко добывают ее из почвы. Но гравитационная влага быстро (через несколько суток) исчезает, превращаясь в другие формы, и поэтому является эфемерным источником водоснабжения. Значит основной формой влаги, участвующей в снабжении растений, является капиллярная влага, которая присутствует в почве длительное время. Итак, надо знать и учитывать закономерности передвижения влаги, чтобы направлять ее в нужное место и предохранять от непродуктивных потерь. Капиллярная влага передвигается в почве под влиянием градиентов, т.е. изменения влажности, плотности и температуры почвы, а также от более увлажненных мест к менее увлажненным (рис. 4.8).

Так, когда корни растений потребляют влагу, вокруг них создается зона иссушения, куда через капилляры попадают новые порции воды. Это полезный процесс. Но он может быть и отрицательным. Так, когда почва насыщена влагой, например, после снеготаяния, полива или дождя, ее поверхность высыхает, туда попадают новые порции воды, чтобы в свою очередь испариться в атмосферу. За сутки этот «насос» перекачивает 50—100 т воды (рис. 4.9).

Рис. 4.8. Передвижение влаги от увлажненных мест к менее увлажненным

Рис. 4.9. Потери влаги из почвы за счет испарения и сокращение этих потерь посредством поверхностного рыхления почвы

Для того чтобы уменьшить потери, верхний слой неглубоко рыхлят, превращая в нем узкие капиллярные поры в широкие некапиллярные. А в силу физических законов влага не может передвигаться из узких пор в широкие, в результате создается «гидрозамок», и испарение снижается примерно в два раза. Напротив, если надо подтянуть влагу к верху, например, к высеянным семенам, производят не рыхление, а прикатывание почвы. Различия в плотности увеличивают перемещение капиллярной влаги из рыхлых слоев почвы в плотные, т.е. из широких пор в узкие.

Градиент температуры вызывает перемещение капиллярной влаги от теплых мест к холодным, и наоборот. В частности, с ним связано иссушение почвы весенними ночными заморозками, когда оттаявшая днем почва ночью подмерзает, а влага по капиллярам поднимается вверх и там испаряется.

Труднодоступная влага представлена капиллярно-разообщенной и рыхлосвязанной влагой. Первая находится в капиллярах с воздушными пробками, которые препятствуют ее передвижению (рис. 4.10).

Воздушная пробка

Рис. 4.10. Капиллярно-разобщенная влага

Рыхлосвязанная располагается в виде пленки поверх прочносвязанной влаги и удерживается почвой с такой силой, что корни растений с трудом ее усваивают.

Недоступная влага — это прочносвязанная (гигроскопическая) влага, которая располагается непосредственно поверх почвенных частиц, и молекулярные силы удерживают ее так прочно, что корни растений не в состоянии ее усвоить. В сумме труднодоступная и недоступная влага образует непродуктивную влагу, которая не усваивается растениями и не создает урожая.

В зависимости от того, в каких формах влага присутствуют в почве, она находится в различном физическом состоянии, которое характеризуется водно-физическими или агрогидрологическими константами. Это уровни увлажнения почвы, резко отличающиеся друг от друга связностью, подвижностью и доступностью почвенной влаги. Перечень этих констант одинаков для всех почв, но их конкретные значения для каждой почвы различны. На рис. 4.11 для примера представлены водно-физические константы метрового слоя тяжелосуглинистой почвы.

Максимальное количество влаги в почве содержится при полной влагоемкости (ПВ) — состоянии увлажнения почвы, когда все ее поры: и широкие некапиллярные, и узкие капиллярные заполнены водой. После стекания гравитационной влаги (через 1—3 сут) почва приходит в состояние наименьшей влагоемкости (НВ). В интервале П В—НВ на почвенную влагу действуют в основном силы гравитации.

Рис. 4.11. Водно-физические константы метрового слоя тяжелосуглинистой

почвы

Наименьшая влагоемкостъ — важнейшая водно-физическая константа, показывающая, какое количество воды данная почва может удерживать в себе длительное время и предоставлять ее растениям. От этой величины начинается отсчет запасов продуктивной влаги, которая участвует в создании урожая. Преобладающей формой влаги в почве является капиллярная, которая находится в узких (менее 1 мм в диаметре) порах.

По мере высыхания почвы в нее попадает воздух, и в капиллярах появляются воздушные пробки. Они разрывают сплошность капилляров, замедляют передвижение влаги по капиллярам и тем самым затрудняют снабжение почвы водой. Наступает состояние влажности замедленного роста растений (ВЗР), или влажность разрыва капилляров (ВРК). С этого момента передвижение воды в почве происходит в основном не в жидком виде по капиллярам, а в виде пара, конвекционно-диффузионным путем. В орошаемом земледелии такое состояние соответствует времени проведения полива.

При дальнейшем иссушении, когда будут использованы все запасы легкодоступной влаги, наступает состояние влажности устойчивого завядания растений (ВУЗ) — предел увлажнения почвы, когда формирование урожая прекращается, в почве остается только непродуктивная влага.

Когда почва иссушается до состояния максимальной гигроскопичности (МГ), в ней остается недоступная растениям влага.

МГ определяется для каждой почвы лабораторным путем, а по ней рассчитывается влажность устойчивого завядания по формуле:

Наиболее высокая МГ наблюдается на почвах тяжелого гранулометрического состава и высокогумусированных черноземах, наименьшая — на песчаных почвах.

Таким образом, беспрепятственное снабжение растений водой и создание их урожая происходят в интервале влажности почвы между Н В и ВУЗ. Чем этот интервал шире, тем лучше водоснабжение растений. Для его регулирования используется три группы методов:

• 1) обеспечивающие исходное увлажнение почвы перед посевом до НВ (все мероприятия по накоплению влаги в почве);
• 2) увеличивающие НВ (увеличение содержание гумуса в почве, улучшение ее структуры, строения и сложения, внесение навоза);
• 3) уменьшающие ВУЗ (подбор засухоустойчивых сортов сельскохозяйственных культур, например замена гороха на нут, кукурузы на сорго).