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).

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);

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).

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).

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).

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]

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).

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).

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

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).

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.

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 W_t — запас влаги в конце периода, например, после уборки; W₀ — запас влаги в начале периода, например, перед посевом; О — количество осадков за изучаемый период, например, вегетационный; q_rp — количество воды, поступившей из грунтовых вод (при близком их расположении к поверхности, когда капиллярная кайма доходит до корнеобитаемого слоя (рис. 3.12); q_K — величина конденсации

Зб

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); q_n — поверхностный сток и снос снега; q_c — 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).

Рис. 3.13. Расход влаги на черноземных почвах Саратовского правобережья