big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Водные свойства и водный режим почвы

Значение воды в почве. Значение воды в почве огромно. Вода является не только сильнейшим фактором выветривания горных пород и важнейшим условием биохимических процессов почвообразования, но и необходимым условием питания и развития растений.

Отсутствие или недостаток влаги в почве в такой же степени губительно отражается на состоянии культурных растений, как и недостаток элементов пищи. Поэтому создание благоприятного водного режима в почве составляет одну из важнейших задач агротехники.

На образование одной весовой части органического вещества растение в среднем расходует около 400 частей воды. Количество воды, расходуемое растением на образование единицы сухого вещества за вегетационный период, называется транспирациоиным коэффициентом. Транспирационный коэффициент для различных растений неодинаков:

Приведенные данные показывают, что транспирационные коэффициенты не являются постоянными величинами. Они довольно изменчивы и зависят как от климатических и почвенных условий, так и от особенностей самого растения.

Но тем не менее по транспирационному коэффициенту, хотя и приближенно, можно судить о том количестве воды, которое расходуется с площади 1 га одним урожаем культурных растений.

Формы воды в почве. Вода в почве может находиться в различных состояниях, имеющих неодинаковое значение для питания и развития растений.

На основании исследований А. Ф. Лебедева, А. А. Роде и С. И. Долгова в настоящее время различают следующие формы воды в почве: 1) химически связанная и кристаллизационная вода; 2) сорбированная (прочно связанная); 3) парообразная; 4) свободная: твердая (лед) при отрицательных температурах и жидкая — при положительных температурах.

Химически связанная вода. Эта вода входит в состав гидратированных веществ, слагающих почвенную массу, например Fe(OH)3, А1(ОН)3, Са(ОН)2, каолинит и многие другие вторичные минералы. Различают конституционную и кристаллизационную воду. Конституционная вода является составной частью минералов и может быть удалена путем нагревания при очень высокой температуре, значительно превышающей 150—200°. Кристаллизационная вода входит в структуру таких минералов, как гипс (CaSO4∙2Н2О), мирабилит (Na2SO4∙10Н2О) и другие, и выделяется нагреванием при относительно низких температурах.

Химически связанная вода не принимает непосредственного участия в физических процессах, протекающих в почве, и растениям абсолютно недоступна.

Сорбированная вода. Вода, удерживаемая в почве на поверхности коллоидных частиц силами адсорбционного притяжения, называется сорбированной. Различают прочно связанную (адсорбированную) и рыхло связанную воду.

Адсорбированная, или гигроскопическая, влага образует вокруг почвенных частиц тончайшую пленку ориентированных дипольных молекул и удерживается с большой прочностью. Количество гигроскопической влаги в почве находится в прямой зависимости как от механического состава почвы, так и от состояния температуры и влажности воздуха. Чем богаче почва илистой фракцией и перегнойными веществами, тем больше содержится гигроскопической влаги, а также чем влажней воздух, тем больше влаги адсорбируется почвой.

Максимальное количество гигроскопической влаги, которое почва может поглотить из воздуха, практически насыщенного парами воды, называется, максимальной гигроскопичностью почвы.

Гигроскопическая влага удерживается на поверхности почвенных частиц с большой силой, и отделить ее от них можно лишь путем продолжительного нагревания почвы при температуре 105°.

Находясь всецело под влиянием сил молекулярного притяжения со стороны отдельных почвенных частичек, гигроскопическая влага не подчинена силе тяжести, а поэтому и неспособна к свободному передвижению в почве. Передвижение гигроскопической влаги в почве возможно лишь в случае перехода ее в парообразное состояние под воздействием температуры.

Будучи как бы припаянной и прочно удерживаемой на поверхности почвенных частичек, гигроскопическая влага для растений является практически недоступной.

Поверх водного слоя, образуемого гигроскопической влагой, в почве способны нарастать и новые тончайшие водные слои, также удерживаемые силами молекулярного притяжения почвенных частичек. Нарастание новых водных слоев имеет предел и длится до тех пор, пока сказывается действие адсорбционных сил твердых почвенных частичек. Эта почвенная влага, расположенная несколькими одномолекулярными слоями сверх гигроскопической влаги и удерживаемая силами молекулярного притяжения почвенных частичек, носит название рыхло связанной, или пленочной, воды.

Пленочная влага в зависимости от расстояния пленки от почвенной частички удерживается с разной силой почвенными частичками. Она практически не подвержена земному притяжению, но тем не менее в отличие от гигроскопической влаги способна в силу осмоса и термоосмоса передвигаться в почве. Эта влага переходит от частичек с более мощной пленкой к частичкам, обладающим меньшим слоем пленок или совсем их не имеющим, от участков более теплых к участкам более холодным.

Пленочная влага в свете новейших данных является частично доступной для растений.

Парообразная вода. Влага в почве может находиться в виде парообразной воды, проникающей в верхние слои почвы вместе с воздухом или же образующейся в почвенных промежутках в результате испарения как капельножидкой влаги, находящейся между почвенными частичками и агрегатами, так и пленочной воды.

Парообразная влага в почве свободно передвигается от мест с большей упругостью пара к местам с меньшей его упругостью (при условии одной и той же температуры во всех слоях почвы) и из слоев с большей температурой в участки с меньшей температурой.

Сгущение водяных паров в почве в условиях низкой температуры приводит к образованию так называемой подземной росы, или капельножидкой влаги. В этом смысле парообразную влагу воздуха можно считать одним из источников накопления влаги в почве, но источник этот, однако, чрезвычайно скудный и ненадежный. Поэтому практическое значение этого вида почвенной влаги в земледелии ничтожно.

Свободная вода. Свободная вода в почве может находиться в виде льда и в жидком состоянии. Большое значение в процессе питания растений имеет жидкая вода. Свободная вода в почве подразделяется на капиллярную и гравитационную.

Капиллярная вода заполняет собой тончайшие почвенные поры и под влиянием менисковых сил передвигается в почве по самым различным направлениям.

Подчиняясь одновременно силе тяжести, капиллярное поднятие воды вверх имеет предел и продолжается до тех пор, пока тяжесть поднимающихся по трубчатым канальцам столбиков воды не уравновесится силами смачивания стенок капилляра.

Высота капиллярного поднятия у различных почв неодинакова и зависит от величины капилляра. Так, например, по данным некоторых лабораторных исследований, в песчаных почвах капиллярное поднятие достигало 30—60 см, в лёссовидных суглинках— 3—4 м; иногда же, как показывают наблюдения в природной обстановке, капиллярное поднятие влаги в суглинистых грунтах может достигать 6—7 м.

Капиллярная вода в почвах может быть подразделена на ряд частных видов, характеризующихся различной подвижностью и количеством,

Капиллярно-подпертая вода, когда капиллярная система почвы заполнена водой, поднимающейся от зеркала грунтовых вод; величина ее обычно возрастает по мере приближения к зеркалу грунтовых вод в связи с включением в число капилляров, заполненных водой—капилляров, имеющих больший диаметр; почвенный слой, в котором распространяется капиллярно-подпертая вода, носит название капиллярной каймы, и мощность ее всецело зависит от водоподъемной способности почвы.

Капиллярно-подвешенная вода, когда капиллярная вода удерживается увлажненной с поверхности почвой, профиль которой не испытывает грунтового увлажнения; подвешенная в капиллярах влага, когда она поступила с поверхности и не соединилась с грунтовой водой, удерживается разностью поверхностных давлений между нижним и верхним менисками.

Стыковая вода, располагающаяся лишь в углах стыка отдельных механических частиц; отличается неподвижностью.

Капиллярная влага полностью доступна растениям и является основным запасом полезной воды в почве.

Гравитационная вода. Если почву, в которой все капиллярные поры заполнены влагой, увлажнять, то при этом будут заполняться некапиллярные промежутки и вода начнет свободно передвигаться в почве, подчиняясь силе тяжести. Такая влага носит название гравитационной.

Гравитационная влага передвигается в почвенной толще из верхних слоев вниз. Поэтому она может находиться в верхних слоях почвы главным образом лишь в период выпадения дождей или при орошении. Стекая вниз, гравитационная вода насыщает нижние почвенные слои, являясь в то же время источником, питающим грунтовые воды. Причиной длительного нахождения в верхних слоях почвы гравитационной влаги может быть либо плохая водопроницаемость нижних слоев почвы, либо близкое к поверхности стояние почвенно-грунтовых вод.

Гравитационная влага вполне доступна для растений, но длительное наличие ее в почве приносит им вред, так как растения при этом могут испытывать недостаток воздуха и пищи.

Водные свойства почвы. Различные почвы обладают разными водными свойствами: одни из них хорошо впитывают и хорошо удерживают воду, другие быстро впитывают, но неспособны длительно удерживать, третьи — и плохо впитывают, и скоро теряют.

Таким образом, «судьба» и значение одного и того же количества воды, попавшей в разные почвы, в каждом конкретном случае будут различными. Совокупность признаков, характеризующих отношение почвы к воде, составляет понятие водные свойства почвы.

Главнейшими из водных свойств почвы являются следующие: водопроницаемость, водоподъемная способность, или капиллярность, влагоемкость и испаряющая способность почвы.

Водопроницаемость почвы. Водопроницаемостью почвы называется способность почвы проводить воду из верхних ее горизонтов в нижние.

Процесс поступления в почву свободной воды складывается из трех явлений: 1) впитывания воды почвой, 2) промачивания почвы и 3) фильтрации.

Впитывание воды в почву осуществляется сорбционными и капиллярными силами, промачивание — капиллярными, фильтрация — гравитационными силами.

Водопроницаемость почвы определяется или временем, за которое вода проходит через определенный слой почвы, или количеством воды, просачивающейся через данный слой почвы в единицу времени.

В зависимости от скорости впитывания различают почвы хорошо водопроницаемые — при скорости впитывания 150 мм за первый час, средне водопроницаемые — при скорости впитывания 50—150 мм за первый час и слабо водопроницаемые — при скорости впитывания меньше 50 мм за первый час (С. В. Астапов).

По величине коэффициента фильтрации почвы и грунты разделяются на 3 группы (В. П. Саваренский): водопроницаемые — с коэффициентом фильтрации 1 м за сутки, полуводопроницаемые — с коэффициентом фильтрации от 1 до 0,001 м за сутки, непроницаемые (водоупорные) — с коэффициентом фильтрации <0,001 м за сутки.

Водопроницаемость зависит от механического состава почвы, наличия перегнойных веществ и структурности.

Чем тяжелее по механическому составу почва, чем больше содержится в ней глинистых частичек и чем мельче, следовательно, ее поры, тем слабее водопроницаемость и наоборот. Наилучшей фильтрующей способностью обладают песчаные почвы, наихудшей — глинистые. В глинистых почвах, отличающихся весьма мелкой пористостью, просачивание воды настолько затруднено, что скорость фильтрации иногда сводится к нулю, так как почва практически не проницаема для воды.

Большое влияние на скорость фильтрации оказывает структурность почвы: водопроницаемость почв структурных лучше, чем бесструктурных.

Существенную роль в этом отношении играет наличие перегноя в почве, причем значение его неодинаково в почвах с различным механическим составом. Так, например, в почвах песчаных, отличающихся хорошей фильтрующей способностью, внесение органических веществ уменьшает водопроницаемость. Это объясняется, во-первых, тем, что перегной обладает хорошей влагоемкостью, а во-вторых, тем, что он способен склеивать почвенные частички и заполнять собой промежутки между ними.

Наоборот, в почвах тяжелых, глинистых, характеризующихся плохой фильтрационной способностью или даже полной водонепроницаемостью, наличие перегноя повышает водопроницаемость благодаря агрегированию почвенных частиц.

Наконец, большое влияние на водопроницаемость имеет степень уплотненности почвы; чем рыхлее почва, тем лучше она пропускает воду, и, наоборот, по мере уплотнения почвы ее водопроницаемость ухудшается.

Водоподъемная способность почвы. Водоподъемной способностью, или капиллярностью, называется способность почв медленно втягивать в себя воду по капиллярным промежуткам под действием менисковых сил, т. е. сил сцепления воды с почвенными частицами.

Это свойство почв имеет большое значение для обеспечения растений водой из нижних слоев почвы.

Высота капиллярного поднятия и скорость поднятия воды в капиллярных порах зависят от их ширины: чем меньше диаметр, тем выше поднятие, и, наоборот, чем крупнее диаметр, тем ниже поднятие, хотя в последнем случае оно происходит с большей скоростью.

Однако уменьшение величины механических элементов, а следовательно, и уменьшение диаметра промежутков между ними влияют на высоту поднятия капиллярной влаги только до известного предела. При наличии в почве весьма мелких пор капиллярное поднятие может и совсем прекратиться. Это объясняется тем, что уменьшение размера капилляров увеличивает трение между водой и стенками промежутков, которое и служит причиной замедления капиллярного движения в глинистых почвах.

Помимо механического состава, существенное влияние на водоподъемность почвы оказывает и ее структурный состав: почва с разрушенной, распыленной структурой обладает лучшей капиллярной способностью, чем почва структурная.

Некоторое влияние на капиллярное движение воды в почве оказывают температура и влажность почвы; повышение температуры ускоряет продвижение воды по капиллярам, но предельная высота поднятия влаги при этом снижается.

В увлажненной почве капиллярное поднятие воды облегчается, в иссушенной —затрудняется, в сильно иссушенной почве может совсем прекратиться.

Этим объясняется, например, тот общеизвестный факт, что даже большой дождь, выпавший на иссушенную зноем землю, вначале медленно просачивается в почву.

Большое значение в этом отношении имеет уплотненность почвы: чем больше уплотнена почва, тем сильнее в ней проявляются капиллярные свойства, тем выше может подниматься в ней влага.

Влагоемкость почвы. Способность почвы вмещать и удерживать в себе то или иное количество воды называется водоудерживающей способностью, а количество воды, которое почва способна удержать в себе, именуется влагоемкостью.

Различают следующие виды влагоемкости: максимальную гигроскопическую, капиллярную, полную и полевую.

Максимальная гигроскопическая влагоемкость представляет собой то наибольшее количество влаги, которое сухая почва может поглотить из воздуха, почти полностью насыщенного парами (с относительной влажностью 94%).

Максимальная гигроскопическая влагоемкость соответствует максимальному насыщению почвы гигроскопической водой.

Капиллярная влагоемкость почвы представляет собой наибольшее количество влаги, насыщающей капилляры при близком залегании зеркала грунтовых вод, т. е. в условиях подпертой капиллярной воды.

Полная влагоемкость почвы, или наибольшая влагоемкость — то наибольшее количество влаги, которое может содержаться в почве или грунте при полном насыщении всех пор водой. Эта степень увлажнения соответствует состоянию полного насыщения почвы водой в условиях затрудненного или полного отсутствия оттока. Полная влагоемкость характеризует максимальную водовместимость почвы.

Полевая влагоемкость — максимальное количество воды, которое почва в естественном залегании в полевых условиях способна удержать после стекания гравитационной влаги при промачивании сверху и устранении испарения, когда грунтовая вода стоит глубоко.

Величина влагоемкости любой почвы зависит главным образом от механического ее состава и количества перегнойных веществ. Влагоемкость почв глинистых и суглинистых выше, чем почв супесчаных и песчаных; при одном и том же механическом составе более богатые перегноем почвы обладают и большей влагоемкостью.

Всякая почва в зависимости от свойств и особенностей может удержать в своем профиле строго определенное количество воды.

Влажность устойчивого завядания растений. Нормальное развитие растений может идти при определенной степени влажности почвы. При низкой влажности растения увядают и рост их прекращается.

Опытами установлено, что устойчивое завядание растений происходит при количестве воды в почве, равном приблизительно 1,5 максимальной гигроскопичности. То количество воды в почве, при котором начинается устойчивое завядание растений вследствие недостатка ее в усвояемой форме, носит название коэффициента увядания. Очень часто это количество воды в почве называют влажностью завядания, критической влажностью, или мертвым запасом, имея в виду, что эта вода не может быть использована растениями.

Коэффициент увядания не является постоянной и неизменной величиной. Помимо природы почв, он в значительной степени зависит от состояния влажности воздуха, природы и фазы развития растений и поэтому подвержен значительным колебаниям.

Установлено, что чем выше осмотическое давление в клеточном соке растений, тем ниже для них будет коэффициет завядания.

Оптимальной влажностью для большинства культурных растений условно принято считать влажность, приблизительно равную 50% полной влагоемкости данной почвы. А так как влагоемкость различных почв неодинакова, то и абсолютное количество воды, необходимое для создания оптимальной влажности той или иной почвы, в каждом конкретном случае будет различным. Для оптимального увлажнения, например, суглинистых почв потребуется значительно больше воды, чем для почв песчаных, обладающих малой влагоемкостью.

Кроме того, и сами растения по-разному относятся к влажности почвы: одни из них могут лучше развиваться при более высокой влажности, другие—при более низкой.

Для большинства зерновых культур оптимальной является влажность, равная 30—50% полной влагоемкости почвы, для зерновых, бобовых 50—60, для технических растений и корнеплодов 60—70, для луговых трав 80—90%.

Испаряющая способность почвы. Значительная часть воды, тем или иным путем попавшей в почву, теряется через испарение.

На величину испарения влияют как внутренние свойства почвы, так и некоторые внешние условия.

На скорость испарения воды влияет прежде всего механический и структурный состав почвы. Почвы связные, обладающие хорошей капиллярностью, испаряют воды больше, чем почвы крупноземистые, например песчаные.

Почвы структурные в значительно меньшей степени теряют влагу, чем бесструктурные: наличие некапиллярных промежутков между отдельными комочками ослабляет водоподъемную способность в них. Наоборот, почвам бесструктурным, в которых капиллярные поры преобладают над некапиллярными, в силу чего создается хорошая подача влаги снизу вверх, свойственна большая потеря воды через испарение. Кроме того, почвы бесструктурные способны при выпадении атмосферных осадков заплывать, образовывая на поверхности корку. Почвенная корка, обладающая тонкопористым строением, еще больше усиливает испарение.

Большое влияние на величину потери воды через испарение оказывает степень уплотненности почвы: чем сильнее уплотнена почва, тем быстрее она испаряет, и, наоборот, чем рыхлее почва, тем меньше потеря влаги.

Значительное влияние на испарение влаги почвой оказывают ветер, температура и степень влажности воздуха: чем суше воздух и выше температура, тем сильнее испарение. Увеличение влажности воздуха и отсутствие ветра уменьшают потерю влаги почвой. Этим объясняется тот факт, например, что в лесу, где почвенный покров защищен от ветров и где воздух более насыщен парами, испарение влаги верхними слоями почвы значительно ниже, чем на открытой местности.

На величину испарения влияет также положение, или экспозиция, данного участка: с южных склонов влага сильнее испаряется, чем с северных.

Расход воды из почвы через испарение в известной мере зависит и от формы поверхности. Так, при волнистом или бугристом рельефе испарение будет сильнее, чем при равнинном. Большое влияние на уменьшение испарения оказывает наличие на поверхности почвы различного рода мертвого и живого покрова — опавшей листвы в лесу, травы в степи и т. д. На этом основывается так называемое мульчирование в земледелии, сущность которого заключается в том, что междурядья той или иной культуры покрывают мульчей (торфяным порошком, опилками и др.), т. е. материалом, задерживающим испарение влаги из почвы.

Очень много почвенной влаги испаряется с поверхности сорных растений. Поэтому систематическое очищение полей от сорняков является важным мероприятием в деле сбережения влаги в почве и получения высокого урожая.

Водный режим почвы и его регулирование в сельском хозяйстве. Водный баланс в почве, по Г. Н. Высоцкому, слагается из следующих элементов.

Приход: атмосферные осадки, конденсация почвой парообразной влаги, принос снега со стороны ветром, приток поверхностной воды, внутренний приток грунтовых вод.

Расход: смачивание водой осадков наземных предметов (древесных крон, стволов, травянистой растительности), снос, сдувание снега ветром, сток воды с поверхности почвы (поверхностный сток), испарение воды почвой, высасывание (десукция) воды корнями растений на транспирацию, внутренний сток воды (внутрипочвенный, грунтовой).

В зависимости от почвенных и климатических условий водный режим различных почв складывается по-разному. Сопоставляя годовые суммы осадков и годовые величины испаряемости, Г. Н. Высоцкий дал следующие приближенные величины отношений этих двух показателей для разных природных зон: лесолуговой — 1,33, лесостепной — 1,0, степной черноземной — 0,67, зоны сухих степей — 0,33. В соответствии с этим Г. Н. Высоцкий установил 3 основных типа водного режима: промывной (пермацидный), непромывной (импермацидный) и выпотной (эксудационный).

Промывной тип водного режима характерен главным образом для почв лесолуговой зоны, залегающих в условиях преобладания атмосферных осадков над их расходом из почвы и ежегодного промачивания всей почвенной толщи до грунтовых вод.

Водный режим непромывного типа присущ преимущественно лесостепным и степным почвам, где количество осадков примерно равно расходу влаги из почвы.

Для водного режима вы потного типа характерно преобладание расхода влаги над количеством атмосферных осадков. Такого рода водный режим имеет место в сухих и пустынных степях при неглубоком уровне грунтовых вод.

Почвы с водным режимом выпотного типа обычно постоянно бывают в пределах капиллярной каймы грунтовых вод, и влага в них находится в капиллярно подпертой форме. Чем меньше глубина залегания грунтовых вод, тем больше испарение и накопление воднорастворимых солей в почве.

Кроме того, в природе еще имеет место водозастойный тип водного режима, приуроченный к участкам, где уровень грунтовых вод обычно приближается к поверхности.

Так как влажность почвы зависит не только от внешних условий, но и внутренних свойств самой почвы, то прямое и непосредственное воздействие тем или иным путем на почву в отношении улучшения ее водного режима приобретает первостепенное производственное значение.

Для создания благоприятного водного режима сельскохозяйственное производство располагает целым арсеналом различных агротехнических средств.

Удаление избыточной влаги из почв в северных районах нашей страны осуществляется с помощью мелиорации, в южных районах накопление влаги в почве достигается путем снегозадержания, создания полезащитных лесных полос и сети прудов и водоемов, широкого применения орошения и высокой агротехники, направленной на максимальное использование атмосферных осадков.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.