Роль почв в природе

3) вода способствует перемещению  органических и минеральных соединений  по профилю, формируя почвенный  профиль;

4) вода является терморегулирующим  фактором, который определяет расход  тепла и поступление элементов  питания;

5) с водой связаны водно-физические  и физико-механические свойства  почв.

По мнению Высоцкого вода является кровью для растений.

В изучение закономерностей взаимосвязей между водой, почвой и растением большой вклад внесли А.А. Измаильский, Г.Н. Высоцкий, П.С. Коссович. Основы учения о водных свойствах почв и водных режимах изложены в трудах А.Ф. Лебедева, С.И Долгова, А.Н. Роде, Н.А. Качинского и др.

Категории (формы) воды в почве

Почвенная влага находится в сложных взаимоотношениях с твердой и газообразной фазами. Этими взаимоотношениями определяется степень доступности влаги для растений и формы передвижения ее в почвенном профиле. На связь почвы с водой оказывают влияние следующие силы:

1) сорбционные, которые возникают при гидратации почвенных частиц;

2) осмотические обусловлены взаимодействием ионов растворенных веществ с молекулами воды и характеризуются осмотическим давлением почвенного раствора. Если осмотическое давление почвенного раствора равно или выше осмотического давления клеточного сока растений, то поступление воды в растения независимо от уровня влажности почвы прекращается;

3) менисковые или капиллярные обуславливаются поверхностным натяжением воды;

4) гравитационные – возникают под действием силы тяжести самих капель воды.

В зависимости от этих сил согласно классификации, разработанной А.А. Роде (1965), различают следующие формы воды: твердую, химически связанную, парообразную, сорбированную и свободную.

Твердая вода – это лед. Эта категория воды является потенциальным источником жидкой и парообразной воды. Проявление воды в форме льда может иметь сезонный характер (сезонное промерзание почв) или многолетний («вечная» мерзлота) характер. Лед переходит в жидкое и парообразное состояние при температуре воды выше 0 градусов.

Химически связанная вода входит в состав химических соединений (минералов) в виде гидроксильной группы – это конституционная вода (гидроксид железа, алюминия и т. д.) или целыми молекулами – это кристаллизационная вода (CaSO4 2H2O и Na2SO4 10 H2O). Конституционную воду удаляют из почвы прокаливанием при температуре 400 – 8000 С, кристаллизационную – при нагревании почвы до 100-2000 С. Эта вода не передвигается, не обладает свойством растворителя и не доступна растениям.

Парообразная вода содержится в почвенном воздухе, в порах, свободных от воды, в форме водяного пара. Может передвигаться вместе с током почвенного воздуха. Играет большую роль в перераспределении почвенной влаги и предохраняет корневые волоски растений от пересыхания.

Конденсируясь, пар переходит в жидкую воду. В почве парообразная влага передвигается от теплых слоев к более холодным. В связи с этим возникают восходящие и нисходящие сезонные и суточные потоки водяного пара. За счет восходящего передвижения водяного пара в зимнее время в метровом слое почвы засушливых районов аккумулируется до 10-14 мм влаги.

Физически связанная или сорбированная вода образуется за счет сорбции парообразной и жидкой воды на поверхности твердых частиц почвы. ЕЕ в зависимости от прочности связи с твердой фазой почвы подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная (гигроскопическая) вода образуется в результате адсорбции молекул воды из парообразного состояния на поверхности твердых частиц почвы. Слой воды тонкий, состоящий из 2-3 молекул. Содержание гигроскопической воды зависит от относительной влажности воздуха, температуры и свойств почвы. Чем выше относительная влажность воздуха и ниже температура, тем больше адсорбируется влаги в почве. Эта вода не доступна растениям.

Свойство почвы сорбировать парообразную воду называется гигроскопичностью почв.

Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из пара при относительной влажности воздуха, близкой к 100 %, называют максимальной гигроскопичностью (МГ). Эти величины зависят от минералогического и гранулометрического составов, содержания гумуса. Чем больше в почве илистой, особенно коллоидной фракции и гумуса, те выше гигроскопичность и МГ.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода покрывает частицы почвы в виде пленок, состоящий из нескольких десятков молекул воды и удерживается дополнительными сорбционными силами. Частично доступна растениям. Она медленно движется от частиц с толстой пленкой к частицам с тонкой пленкой.

Свободная вода – это вода, содержащаяся в почве сверх рыхлосвязанной. Она не связана силами притяжения с почвенными частицами. Различают две формы свободной воды в почве - это капиллярная и гравитационная.

Капиллярная вода находится в тонких капиллярных порах почвы и передвигается в них под влиянием капиллярных сил, возникающих на поверхности раздела твердой, жидкой и газообразной фаз. Эта вода наиболее доступна растениям. В зависимости от характера увлажнения различают капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую воду.

Капиллярно-подвешенная вода образуется при увлажнении почвы сверху атмосферными осадками или оросительными водами и не связана с грунтовым увлажнением.

Капиллярно-подвешенная вода образуется при увлажнении почвы снизу за счет грунтовых вод. Зону капиллярного насыщения над грунтовой водой называют капиллярной каймой (КК).

Гравитационная вода размещается в крупных некапиллярных порах, свободно просачивается вниз по профилю под действием сил тяжести. Различают гравитационную воду просачивающуюся и влагу водоносных горизонтов. Последняя над водоупорным слоем образует почвенные и грунтовые воды, а также временный горизонт верховых вод.

Грунтовые воды могут играть важную роль в водном питании растений, но они могут приводить в северных районах – к заболачиванию, а в южных – засолению почв.

Почвенно-гидрологические константы

Почвенно-гидрологические константы – это граничные значения влажности, при которых количественные изменения в подвижности и свойствах воды переходят качественные.

Максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ) – это наибольшее количество прочносвязанной влаги, удерживаемое силами адсорбции. Эта влага не доступна для растений.

Максимальная гигроскопичность (МГ) – максимально возможное содержание в почве гигроскопической воды при относительной влажности, близкой к 100 %. Для глинистых почв МГ составляет 12 – 20 %; суглинистых – 6 – 12 %; легких почв – менее 6 % от веса. Этот порог недоступен растениям («мертвый запас влаги»).

Влажность завядания растений (ВЗ) – уровень влажности в почве, при котором начинается устойчивое завядание растений. ВЗ (в %) равна МГ (в%) , умноженной на коэффициент 1,34 (по рекомендации гидрометиослужбы) или 1,5 (по рекомендации Качинского). На основании данных ВЗ и общего содержания влаги в почве вычисляют запас продуктивной влаги, т. е. той влаги, которая доступна для растений и расходуется на формирование урожая. Количество продуктивной влаги принято выражать в мм толщины водяного слоя. В таком виде запасы воды лучше сопоставлять с данными по осадкам. 1 мм воды на площади 1 га соответствует 10 т воды. Запасы продуктивной влаги (в мм\га):

W = 0,1 d h (В – ВЗ), где 0,1 – коэффициент перевода запасов влаги из м3\га в мм водяного слоя; d – плотность почвы, г\см3; h – мощность слоя почвы, см; В – полевая влажность почвы, % на абсолютно сухую почву; ВЗ – влажность завядания, %.

Влажность разрыва капилляров (ВРК) – это влажность, при которой растения не завядают, но теряют продуктивность. Это критическая влажность ниже которой в сторону ВЗ снижается рост растений. В почвах она составляет 50 – 60 % от НВ.

Наименьшая или предельно-полевая влагоемкость (НВ или ППВ) – это максимально возможное количество капиллярно-подвешенной влаги в почве, которое остается после оттока гравитационной воды. В ее состав входят МАВ, МГ, ВЗ. НВ зависит от гранулометрического состава, структуры и содержания органического вещества. Определяется в полевых условиях методом заливных площадок. Берется квадратный метр почвы и пропитывается влагой на 20 см, затем покрывают соломой, чтобы не испарялась влага и через 2-3 дня берут пробы и определяют влажность расчетно-весовым методом. НВ используют для расчета поливных, оросительных и промывных норм. Эта величина дает возможность определить диапозон активной влаги:

Активная влага = НВ – ВЗ.

Активная влага – это влага, которая удерживается за счет адсорбционных и капиллярных сил, но она не вся доступна растениям.

Доступная влага (Вдост) = влажность фактическая (Вфакт) – ВЗ.

Дефицит влаги = НВ – Вфакт

Зная НВ можно регулировать влажностью почвы, но не допускать снижения влажности ниже 70 %.

Полная влагоемкость (ПВ) – это наибольшее количество влаги, удерживаемое почвой при заполнении всех пор водой. Она зависит от пористости и плотности почвы. Определяется по формуле: W = p/d, где p – пористость, %; d – плотность почвы, г\см3. С уплотнением уменьшается пористость и ПВ.

Для развития растений наиболее благоприятные пороги влаги – это ВРК и НВ (среднедоступная влага). Интервал ВЗ – ВРК – это труднодостпная влага, снижается продуктивность. Интервал НВ – ПВ – снижает аэрацию, ухудшает газообмен и приводит к избыточному увлажнению почвы.

Водные свойства почвы

Это влагоемкость, водоотдача, водопроницаемость, водоподъемная способность и испарение.

Влагоемкость – это способность почвы удерживать влагу. В зависимости от водоудерживающих сил различают максимальную адсорбционную, капиллярную, предельно-полевую и полную влагоемкости.

Капиллярная влагоемкость (КВ) – наибольшее количество влаги которое удерживается в почве при заполнении капиллярных пор над уровнем грунтовых вод. Эта величина не постоянная и зависит от уровня грунтовых вод.

Водоотдача (ВО) – это количество свободной влаги, которая вытекает из почвы при понижении уровня грунтовых вод. Количество ее зависит от начального и конечного положения грунтовых вод. Если это понижение грунтовых вод в пределах ПВ и НВ, то эта водоотдача называется максимальной МВО). Эта величина служит для расчета проектирования осушения и рассоления почв.

Водопроницаемость – это способность почвы впитывать и пропускать через себя воду. Различают три стадии поступления влаги: 1) впитывание; 2) промачивание; 3) фильтрация – передвижение воды в почве под влиянием силы тяжести.

Если поры частично заполнены водой, то происходит впитывание, более сильное заполнение пор вызывает промачивание и когда полностью заполняются поры, то происходит фильтрация.

Скорость впитывания имеет большое значение, от которой зависит эффективность использования атмосферных осадков и промывных вод растениями. Скорость впитывания определяется количеством воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения в единицу времени:

Vмм/мин = Q h / S t, где

Q – количество воды  израсходованное на прохождение  определенной площади; h – слой почвы (10 см); S – площадь; t – время, за которое идет впитывание.

Качинский предложил градации почв по водопроницаемости, учитывая количество воды, прошедшее за 1 час при напоре 5 см  и при температуре 10 градусов:

1) провальные почвы, которые  пропускают влагу более 1000 мм;

2) излишне высокая водопроницаемость  – 1000 – 500 мм;

3) наилучшая – 500 – 100 мм;

4) хорошая – 100 – 70 мм;

5) удовлетворительная – 70 – 30 мм;

6) неудовлетворительная  – менее 30 мм.

Водопрницаемость зависит от гранулометрического состава, структуры, поглощенных оснований (при наличии натрия водопроницаемость снижается), от сложения пахотного слоя.

В результате плохой водопроницаемости на поверхности почвы вызывается переувлажнение, что приводит к вымоканию и выпреванию посевов, снижению деятельности микроорганизмов, ухудшается воздушный и питательный режим почв.

Снижение водопроницаемости – это рыхление, окультуривание. Очень хорошая водопроницаемость приводит к потере влаги и наступает местная засуха. Меры борьбы – это оструктуривание.

Водоподъемная способность – способность почвы вызывать капиллярный подъем влаги из нижних горизонтов в верхние. Высота подъема влаги зависит от капиллярных сил и находится в обратной зависимости от радиуса капилляров. Роде из уравнения Лапласа выделяет: Н, мм = 15/r, где Н – высота подъема влаги, r – радиус капилляров.

С уменьшением радиуса капилляров возрастает высота подъема, но скорость подъема уменьшается.

Испарение – это количество воды, теряющееся с поверхности почвы.

На него влияют водоподъемная способность почвы, гранулометрический состав, структура, плотность; ветер, температура, относительная влажность воздуха, экспозиция склона, форма поверхности почвы, растительность. Главная задача – это очистка полей от сорняков, выравнивание полей, мульчирование, рыхление почвы и прикатывание.

Водный баланс и водный режим почв

Водный режим – это совокупность явлений поступления влаги в почву, ее удерживание, расход, передвижение в почве. Количественно его выражают через водный баланс, характеризующий приход влаги в почву и расход из нее.

Вос + Вг + Впр = Еисп + Ет + Ви + Вп

Вос – приход с осадками;

Вг – количество влаги, поступаемое из грунтовых вод;

Впр – приход влаги за счет поверхностного притока;

Еисп – количество влаги, испарившаяся с поверхности почвы;

Ет – количество влаги, расходуемое на транспирацию4

Ви – влага, инфильтрующаяся в почвенно-грунтовую толщу;

Вп – количество воды, теряющееся за счет поверхностного стока.

Запасы влаги в почве рассчитываются в %:

В % = а d h, где а – влага в весовых частях, %; d – плотность почвы; h – расчетный слой, см.

Вм3\га = В % 0,1

Водный режим почвы складывается из суммы годовых осадков и суммы водных величин на испарение. В разных климатических условиях этот водный режим различен. Высоцкий вводит коэффициент увлажнения (КУ), который соответствует соотношению осадкой к испарению: