ВОДНЫЕ СВОЙСТВА И ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ

Большой вклад в разработку учения о почвенной влаге внесли А.А. Измаильский, Г.Н. Высоцкий, П.С. Коссович, А.Ф. Лебедев, А.Г. Дояренко, С.И. Долгов, Н.А. Качинский А.А. Роде, И.И. Суд- ницын, А.Д. Воронин, а также зарубежные ученые В. Гарднер, Т. Маршалл, С. Тейлор и др.

Формы (категории) воды в почвах. Почвенногидрологические константы. Доступность почвенной влаги растениям

Формы, или категории, воды в почве — это части воды, которые обладают одинаковыми свойствами. А.А. Роде выделил пять форм воды: химически связанная, твердая, парообразная, сорбированная (физически связанная), свободная.

Химически связанная вода включает конституционную, которая представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, глинистые минералы и др.), и кристаллизационную, представленную целыми водными молекулами кристаллогидратов (например, CaS04 • 2Н20 — гипс). Химически связанная вода входит в состав твердой фазы почв и не обладает свойствами воды. Она может выделяться из почв только при повышенных температурах — от 20-60 до 500 °С и выше. Растениям недоступна.

Твердая вода представлена в виде льда, который является потенциальным источником жидкой влаги, в том числе доступной для растений.

Парообразная вода содержится в порах в почвенном воздухе. Относительная влажность почвенного воздуха близка к 100%. Она перемещается в порах при изменении температуры и вместе с током почвенного воздуха может конденсироваться и сорбироваться твердой фазой почвы. Конденсат может усваиваться растениями.

Сорбированная (физически связанная) вода за счет сорбционных сил подразделяется на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная сорбированная вода сорбируется почвой из воздуха. При низкой относительной влажности воздуха (20—50%) сорбированная влага образует тонкую пленку толщиной в 1—2 молекулы. Такая влага получила название гигроскопической. При влажности воздуха, близкой к 100%, сорбируется 3—4 слоя молекул воды. Эта влага называется максимальной гигроскопической (МГ).

Наибольшее количество прочносвязанной, строго ориентированной воды, удерживаемой сорбционными силами, характеризует максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ). Она составляет около 60—70% МГ. Прочносвязанная вода по физическим свойствам приближается к твердым телам: ее плотность достигает 1,5—1,8 г/см3, замерзает при низких температурах, не растворяет электролиты, недоступна растениям.

Гигроскопическая влажность, МАВ и МГ зависят от минералогического и гранулометрического состава и степени гумусированности. Чем выше в почвах содержание илистой и коллоидной фракций, тем выше показатели прочносвязанной влаги. Так, значения МГ колеблются от 0,5—1% в песчаных и супесчаных, 2—10 в суглинистых до 15—20 в глинистых почвах и 30—50% в торфах. Показатели МАВ ниже на 30—40%, а гигроскопической влажности — на 50—80% по сравнению с МГ.

Рыхлосвязанная сорбированная (пленочная) вода представлена полимолекулярной пленкой толщиной в несколько десятков или сотен диаметров молекул воды. Она удерживается молекулярными силами, менее прочно связана с твердой фазой почв и может частично передвигаться. Верхний предел рыхлосвязанной воды характеризует максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ). В глинистых почвах она может достигать 25—30%, в песчаных — 5—7%. Она частично доступна для растений.

Капиллярная вода является свободной, не зависит от сорбционных сил, а удерживается и передвигается в почве капиллярными (менисковыми) силами.

Менисковые силы начинают проявляться в порах с диаметром менее 8 мм, а наиболее сильно — с диаметром от 100 до 3 мкм. Поры диаметром менее 3 мкм заполнены связанной водой. Капиллярная вода растворяет вещества, вместе с ней передвигаются соли и коллоиды. Капиллярная вода является доступной и наиболее ценной для растений. Она подразделяется на капиллярно-подвешенную, капиллярно-подпертую и капиллярно-посаженную.

Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почв сверху (атмосферные осадки, оросительные воды), она висит над сухим слоем почвы и не имеет связи с грунтовыми водами. Капиллярно-подвешенная вода может передвигаться как в нисходящем направлении, так и вверх, если влага испаряется с поверхности. Поэтому существует ряд агротехнических мероприятий (боронование, прикатывание и др.), направленных на снижение испарения и сохранение капиллярно-подвешенной влаги.

Нормы орошения не должны превышать запасы капиллярно-подвешенной влаги.

Стыковая капиллярно-подвешенная влага преобладает в песчаных и супесчаных почвах с крупными порами. Она находится в местах стыка твердых частиц и удерживается капиллярными силами.

Капиллярно-подпертая вода заполняет капиллярные поры при увлажнении снизу, от горизонта грунтовых вод. Она передвигается вверх по капиллярам и подпирается снизу грунтовыми водами. Слой почвы над грунтовыми водами, содержащий капиллярно-подпертую влагу, называется капиллярной каймой.

В суглинистых и глинистых почвах он достигает 2—6 м, а в песчаных и супесчаных — только 0,4—2,0 м. Мощность капиллярной каймы характеризует водоподъемную способность почв. Капиллярно- подпертая влага принимает участие в снабжении водой растений в полугидроморфных и гидроморфных почвах и является существенным дополнением к атмосферным осадкам, особенно в почвах лесостепной и степной зон, где грунтовые воды не засолены.

Капиллярно-посаженная вода (подперто-подвешенная) образуется в слоистых почвах, в которых слои различаются по гранулометрическому составу. На контакте слоев скапливается дополнительное количество влаги.

Капиллярно-подпертая вода характеризуется капиллярной влаго- емкостью (КВ) — наибольшим количеством капиллярно-подпертой воды, которое может удерживаться в слое почвы, находящемся в пределах капиллярной каймы. Она зависит от того, на какой высоте от уровня грунтовых вод ее определяют: чем выше, тем ниже показатели КВ. Капиллярная влагоемкость зависит также от гранулометрического состава. При близком залегании грунтовых вод (1,5—2,0 м) для среднесуглинистых почв в пределах почвенного профиля она составляет 30—40%.

Наименьшая влагоемкость (НВ) характеризует наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги, которое может удерживать почва после стекания избытка влаги при отсутствии подпора грунтовых вод (глубоком залегании). Она зависит от гранулометрического состава, структурного состояния, плотности. В хорошо острукту- ренных суглинистых и тяжелосуглинистых почвах НВ составляет 30—45%, в легко- и среднесуглинистых — 20—30, в песчаных и супесчаных — 5—20%.

Термину «наименьшая влагоемкость» соответствует ряд терминов, предложенных разными авторами: предельно-полевая влагоемкость (ППВ) широко используется в мелиорации; полевая влагоемкость (ПВ) используется в ряде зарубежных стран. Наименьшая влагоемкость является верхним пределом оптимальной влажности для растений.

Влажность разрыва капилляров (ВРК) — характеризует запасы воды в почве, соответствующие разрыву сплошности капилляров, связанному с испарением и потреблением растениями. Эта влага теряет подвижность (не передвигается под действием капиллярных сил). Она является нижним пределом оптимальной влажности для растений. Для суглинистых и глинистых почв ВРК составляет 60—70% от НВ.

Влажность устойчивого завядания (ВЗ) — влажность, при которой растения теряют тургор и погибают. Это нижний предел продуктивной влаги. Влага в интервале ВЗ—ВРК является труднодоступной. ВЗ зависит от свойств почв и вида растений, ее можно рассчитать, используя показатели МГ, которые умножают на коэффициент 1,5:

В среднем ВЗ составляет: в песчаных почвах — 1—3%; в супесчаных — 3—6; в суглинистых и глинистых — 6—15; в торфяных почвах — 50—60%. Показатели ВЗ используют для расчетов запаса продуктивной влаги. Запасы влаги в интервале ВРК—ВЗ примерно соответствуют максимальной молекулярной влагоемкости (ММВ).

Полная влагоемкость (ПВ), или водовместимость, — наибольшее количество воды, которое может вместить почва при полном заполнении всех пор водой. Она примерно соответствует общей порознос- ти, поскольку 5—6% пор остаются с защемленным почвенным воздухом. Полная влагоемкость чаще составляет 40—50% от объема с колебаниями от 30% в бесструктурных, уплотненных минеральных горизонтах до 80% — в обогащенных органическим веществом горизонтах почв. При полной влагоемкости, если отсутствует подпор грунтовых вод, влага в крупных межагрегатных порах передвигается под действием гравитационных сил. Такая вода называется гравитационной. Она может быть просачивающейся (после выпадения осадков, таяния снега) и в виде водоносных горизонтов (грунтовые, почвенно-грунтовые воды). Гравитационная вода доступна для растений, но непродуктивна, поскольку является избыточной.

Максимальная водоотдача (МВО) — разность между полной (ПВ) и наименьшей (НВ) влагоемкостью. В структурных почвах МВО составляет не менее 15—20%, что обеспечивает хорошие условия аэрации почв.

Почвенно-гидрологические константы граничные значения влажности, при которых количественные изменения в подвижности воды переходят в качественные различия. В агрономической практике наиболее широко используются следующие почвенно-гидрологические константы: МАВ, МГ, ВЗ, ВРК, НВ, ПВ, которые характеризуют доступность воды для растений в почвах с разными водными свойствами (рис 17.1).

Почвенно-гидрологические константы используют для оптимизации влажности почв, в частности при орошении. Если влажность почвы опускается ниже ВРК, необходим срочный полив. Оптимальные запасы влаги находятся в диапазоне ВРК—НВ. Норма полива не должна превышать НВ. В агрономической практике учитывается общий (ОЗВ), полезный (продуктивный) запасы влаги (ПЗВ) и запас труднодоступной влаги (ЗТВ): Категории почвенной воды и почвенно-гидрологические константы (по А.А. Роде, 1965)

Рис. 17.1. Категории почвенной воды и почвенно-гидрологические константы (по А.А. Роде, 1965)

03В рассчитывается по фактической полевой влажности, ЗТВ — по влажности завядания. Измеряют запасы влаги в м3/га или в мм, 1 мм воды соответствует 10 м3/га. Оптимальные запасы влаги в метровом слое для большинства культур составляют 100—200 мм, в пахотном — 40-50 мм. Снижение запасов воды в пахотном слое ниже 20, а в метровом — ниже 50 мм резко сказывается на урожайности культур.

Водопроницаемость и водоподъемная способность почв.

Водопроницаемость — способность почв и грунтов впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. При поступлении воды в почву выделяют два этапа: впитывание (заполнение пор) и фильтрацию, которые различаются по скорости и характеризуются соответствующими коэффициентами впитывания и фильтрации. Водопроницаемость зависит от гранулометрического состава, трещиноватости, структурного состояния, влажности и длительности увлажнения. Водопроницаемость измеряется объемом воды, протекающим через единицу площади поверхности почвы в единицу времени. Н.А. Ка- чинский предложил следующую градацию водопроницаемости почв (мм/ч, при напоре 5 см и температуре 10 °С): 1000—500 — провальная, излишне высокая; 500—100 — наилучшая; 100—70 — хорошая; 70—30 — удовлетворительная; менее 30 — неудовлетворительная.

Водоподъемная способность — свойство почвы вызывать восходящее передвижение влаги в ней за счет капиллярных сил. Она растет от песчаных почв к суглинистым и иногда может снижаться к глинистым, тонкопористым, поскольку в последних очень много мелких пор (менее 1 мкм), которые заполнены неподвижной связанной водой. Высота капиллярного поднятия в песках составляет 0,5—1 м; в супесях — 1—2; в суглинках — 2—4; в тяжелых суглинках и глинах — до 6 м.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >