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

Влага поступает в растение 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. 3.2).

Проникновение влаги в почву под действием силы тяжести

Рис. 3.2. 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. 3.3);

Действие сорбционных сил на молекулы воды

Рис. 3.3. Действие сорбционных сил на молекулы воды

менисковые, или капиллярные, силы. Эти силы действуют в узких (менее 1 мм) порах почвы — капиллярах и препятствуют дальнейшему стеканию воды вниз (рис. 3.4).

Менисковые, или капиллярные, силы

Рис. 3.4. Менисковые, или капиллярные, силы

В результате влага зависает и образуется промоченный слой толщиной до 1,0—1,5 м, откуда растения берут влагу (рис. 3.5).

Результат действия менисковых, или капиллярных, сил

Рис. 3.5. Результат действия менисковых, или капиллярных, сил

осмотические силы. Они вызываются веществами, растворенными в почвенной влаге, например удобрениями, и вызывают ее передвижение от мест с меньшей концентрацией этих веществ к местам с большей концентрацией (рис. 3.6).

Осмотические силы

Рис. 3.6. 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 своему 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 (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Формы (категории) почвенной влаги (по А.А. Роде) [41]

По физическому состоянию

По степени подвижности

По степени

доступности растениям

1. Усвояемая 1.1. Жидкая (свободная)

  • 1. Неподвижная
  • 1.1. Химически связанная
  • 1.2. Физически связанная 1.2.1 .Прочносвязанная (гигроскопическая)
  • 1. Легкодоступная (продуктивная)
  • 1.1. Капиллярная
  • 1.2. Гравитационная
  • 2. Неусвояемая
  • 2.1. Твердая (лед)
  • 2.2. Парообразная
  • 2. Труднодоступная (непродуктивная)
  • 2.1. Капиллярно-разобщенная
  • 2.2. Рыхлосвязанная (пленочная)

2. Малоподвижная 2.1. Рыхлосвязанная (пленочная)

  • 3. Легкоподвижная
  • 3.1. Капиллярная
  • 3.2. Гравитационная
  • 3. Недоступная (непродуктивная)
  • 3.1. Прочносвязанная (гигроскопическая)

Водяной пар находится в составе почвенного воздуха в ее порах, не занятых водой. Он передвигается активно от мест с большей его концентрацией к местам с 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 холодные, где и конденсируется на границе промерзания почвы (так называемая «зимняя перегонка»). В результате в верхнем метровом слое 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 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, малоподвижная и легкоподвижная. Неподвижная 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 (менее 1 мм) частицам почвы сорбционными силами, и передвигается только в виде пара.

Трудноподвижная (малоподвижная) влага передвигается очень медленно, несколько сантиметров в год, и представлена рыхлосвязанной, или пленочной влагой. Она находится поверх слоя гигроскопической влаги и передвигается от более толстых пленок к менее толстым (рис. 3.7).

Прочно- и рыхлосвязанная формы почвенной влаги

Рис. 3.7. Прочно- и рыхлосвязанная формы почвенной влаги

Легкоподвижная влага состоит из гравитационной и капиллярной. Она передвигается сравнительно быстро и на большое расстояние — 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, и поэтому корни растений, имеющие сосущую силу от 5—10 до 50—100 атм, легко ее добывают из почвы. Но гравитационная влага быстро, через несколько суток, исчезает, превращаясь в другие формы, и поэтому является эфемерным источником водоснабжения. Основной формой влаги, участвующей в снабжении растений, является капиллярная, которая присутствует в почве длительное время. Следовательно, надо знать и учитывать закономерности ее передвижения, чтобы направлять в нужное место и предохранять от непродуктивных потерь. Капиллярная влага передвигается под влиянием градиентов, т.е. изменения влажности, плотности и температуры почвы. Она передвигается от более увлажненных мест к менее увлажненным (рис. 3.8).

Передвижение влаги от увлажненных мест к менее увлажненным

Рис. 3.8. Передвижение влаги от увлажненных мест к менее увлажненным

Так, когда корни растений потребляют влагу, вокруг них создается зона иссушения, куда через капилляры подаются новые порции воды. Это полезный процесс. Но он может быть и отрицательным. Так, когда почва насыщена влагой, например после снеготаяния весной, после полива или дождя, поверхность почвы высыхает, туда подаются новые порции воды, чтобы в свою очередь испариться в атмосферу. За сутки этот «насос» перекачивает 50—100 т воды (рис. 3.9).

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

Потери влаги из почвы за счет испарения и сокращение этих потерь за счет поверхностного рыхления почвы

Рис. 3.9. Потери влаги из почвы за счет испарения и сокращение этих потерь за счет поверхностного рыхления почвы

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 увеличивает 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, влага по капиллярам поднимается вверх и там испаряется.

Труднодоступная влага представлена капиллярно-разообщенной и рыхлосвязанной. Первая находится в капиллярах с воздушными пробками, которые препятствуют ее передвижению (рис. 3.10).

Капиллярно-разобщенная влага

Рис. 3.10. 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 образуют непродуктивную влагу, которая не усваивается растениями и не создает урожая.

В зависимости от того, какие формы влаги 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. 3.11 для примера представлены водно-физические константы метрового слоя тяжелосуглинистой почвы.

Водно-физические константы метрового слоя тяжелосуглинистой почвы

Рис. 3.11. Водно-физические константы метрового слоя тяжелосуглинистой почвы

Максимальное количество влаги в почве содержится при полной влагоемкости (ПВ). ПВ — состояние 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 ПВ—НВ на почвенную влагу действуют в основном силы гравитации.

Наименьшая влагоемкость — 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 водой. Наступает состояние замедленного роста растений — влажность завядания 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 в почве будут использованы все запасы легкодоступной влаги, наступает такое состояние, как влажность устойчивого завядания (ВУЗ) — предел увлажнения почвы, когда формирование урожая прекращается и 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 и 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 происходит в интервале влажности почвы между НВ и ВУЗ. Чем он 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 содержания гумуса в почве, улучшение ее структуры, строения и сложения, внесение навоза);
  • 3) уменьшающие ВУЗ (подбор засухоустойчивых культур и сортов сельскохозяйственных культур, например, замена гороха на нут, кукурузы на сорго.

Баланс почвенной влаги

Водный баланс — совокупность всех статей прихода-расхода влаги в корнеобитаемом слое почвы (для зерновых культур он составляет 1,0—1,5 м, многолетних трав и подсолнечника — 2,0 м и более). Его можно составить за год, за вегетационный период или иные сроки. Для неорошаемых условий его можно представить таким образом:

где Wt запас влаги в конце периода, например, после уборки; W0запас влаги в начале периода, например, перед посевом; О — количество осадков за изучаемый период, например, вегетационный; qrp — количество воды, поступившей из грунтовых вод (при близком их расположении к поверхности, когда капиллярная кайма доходит до корнеобитаемого слоя (рис. 3.12); qK величина конденсации

Зб

Поступление влаги за счет грунтовых вод

Рис. 3.12. Поступление влаги за счет грунтовых вод

парообразной влаги (для легких почв и в приморских районах); Ел (сумма п) — потери влаги на физическое испарение почвой; ЕГ— транспирация, т.е. расход влаги растениями; и — потери на инфильтрацию влаги вниз за пределы корнеобитаемого слоя (в условиях промывного режима увлажнения); qn поверхностный сток и снос снега; qc — расход влаги сорняками.

Основная приходная статья в неорошаемых условиях — атмосферные осадки. Не имея возможности их регулировать, необходимо добиваться их более полного усвоения. Грунтовые воды залегают обычно глубоко и не могут усваиваться растениями. Поступления конденсационной влаги также сравнительно невелики.

В расходных статьях главное внимание следует уделять источникам непродуктивных потерь влаги из почвы и свести их к минимуму.

Так, вблизи г. Саратова в год выпадает 390 мм осадков. Из них продуктивно (на транспирацию) расходуется всего 150 мм, или 38%. Остальная влага, или 62%, теряется совершенно бесполезно (рис. 3.13).

Расход влаги на черноземных почвах Саратовского правобережья

Рис. 3.13. Расход влаги на черноземных почвах Саратовского правобережья

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >