Влагоёмкость, водопроницаемость, водоудерживающая способность почв

почвенный влага гигроскопичность Влагоемкость — количество воды, характеризующее водоудерживающую способность почвы.

В зависимости от сил, удерживающих влагу в почвах, различают максимальную адсорбцию, капиллярную, наименьшую (полевую) и полную влагоемкости.

Максимальная адсорбционная влагоемкость — та часть почвенной влаги, которая находится под непосредственным действием сорбционных сил, исходящих от поверхности твердых частиц.

Капиллярная влагоемкость — запас влаги, удерживаемой над уровнем грунтовых вод капиллярными (менисковыми) силами. Она выражается в процентах от веса или объема почвы. Величина капиллярной влагоемкости, помимо мощности слоя, зависит от того, на какой высоте от зеркала грунтовых вод находится слой почвы: чем меньше эта высота, тем больше эта влагоемкость. Величина ее обусловлена общей и капиллярной пористостью, а также плотностью почвы.

С капиллярной влагоемкостью связано важное в агрономической практике понятие капиллярной каймы. Капиллярной каймой называется весь слой подпертой влаги между уровнем грунтовых вод и верхней границей фронта смачивания почвы.

Наименьшая влагоемкость соответствует такой влажности, которая сохраняется в почвогрунте, не испытывающем капиллярного подтока влаги после стекания избыточной воды, поступающей к поверхности почвы. Это максимальное количество воды, фактически удерживаемое почвой в природных условиях в состоянии равновесия, когда устранено испарение и дополнительный приток воды. Величина наименьшей влагоемкости зависит от гранулометрического, мине-ралогического и химического состава почвы, ее плотности и пористости.

Когда в почве все поры заполнены водой, наступает состояние увлажнения, называемое полной влагоемкостью или водовместимостью. При полной влагоемкости влага в почве, находящаяся в крупных промежутках между твердыми частицами, непосредственно удерживается зеркалом грунтовых вод или водоупорным слоем. Практически в почвах, насыщенных водой до состояния полной влагоемкости, 5−8% порового пространства заполнено «защемленным воздухом». Учитывая это, водовместимость можно рассчитать по общей пористости почвы за вычетом объема «защемленного воздуха».

Если отсутствует водоупорный слой и влага в почве не подпирается грунтовыми водами, излишек ее сверх уровня полевой влагоемкости стекает, «проваливается» в глубокие горизонты. Разница между полной и полевой влагоемкостью называется максимальной водоотдачей.

Водопроницаемость почв — способность почв и грунтов впитывать поступающую с поверхности воду и пропускать эту воду от слоя к слою в ненасыщенных водой горизонтах и, наконец, фильтровать воду сквозь определенную толщу горизонтов, вполне насыщенных водой Проникает вода в почву в силу своего веса по крупным порам аэрации, одновременно рассасываясь в стороны под влиянием поверхностной энергии почвы и капиллярных явлений.

В процессе поступления воды в почву и дальнейшего передвижения ее можно выделить 2 стадии: впитывание и фильтрация.

Впитывание — процесс поглощения воды сухой или ненасыщенной почвой и прохождение ее от верхнего слоя к слою. Измеряют его «коэффициентом впитывания», в отличие от «коэффициента фильтрации», которым характеризуют интенсивность прохождения воды сквозь почвенные или грунтовые слои, вполне насыщенные водой. Коэффициентом фильтрации характеризуется и сама фильтрация — прохожднение воды сквозь толщу насыщенной водой почвы. В природной полевой обстановке, в большинстве случаев, четкое разграничение этих двух процессов отсутствует. Поверхностные горизонты почвы, первыми воспринимающие воду, и насыщаются ею в первую очередь. В то время, когда в отношении их уже можно применить понятие о фильтрации воды, подстилающие их горизонты будут воду только впитывать ее.

Фильтрацию воды в чистом виде можно наблюдать лишь на территориях, длительно заливаемых водой, как, например, в днищах водоемов, рек, каналов и при сквозных промывках почв от солей. В агрономической практике в подавляющем большинстве случаев мы встречаемся с явлением впитывания воды почвой, поэтому и при описании методики определения водопроницаемости, главным образом имеется в виду этот процесс.

Интенсивность и характер водопроницаемости почвы зависит от механического и химического их состава, от структурности, плотности сложения, порозности, влажности почв и длительности их увлажнения.

В легких по гранулометрическому составу поры крупные и водопроницаемость всегда высокая. В суглинистых и глинистых почвах количество и размер пор зависят от структурного состояния. Суглинистые и глинистые почвы, обладающие водопрочной комковато-зернистой структурой, также отличаются высокой водопроницаемостью. В почвах тяжелого гранулометрического состава с глыбисто-пылеватой структура водопроницаемости низкая.

Н. А. Качинским предложена градация почв по водопроницаемости. Если почва пропускает за 1 ч более 1000 мм воды при напоре 5 см и температуре 10 єC, водопроницаемость считается провальной, от 1000 до 500 мм — излишне высокой, от 500 до 100 — наилучшей, от 100 до 70 — хорошей, от 70 до 30 — удовлетворительной, менее 30 мм — неудовлетворительной.

Важно отметить такое свойство водопроницаемости как динамичность. Со временем водопроницаемость уменьшается.

Изменение водопроницаемости почвы во времени.

• 1 — чернозем обыкновенный; 2 — дерново-подзолистая почва;
• 3 — солонец

Причиной этого является то, что при увлажнении почвы постепенно набухают и становятся всё более водонепроницаемыми. Наиболее быстро водопроницаемость снижается в почвах, сильнонасыщенных Na или Mg, например чернозёмы.

При низкой водопроницаемости в районах достаточного увлажнения может происходить вымочка культур, застаивание воды на поверхности, стекание ее по уклону и развитие эрозии.

При очень высокой водопроницаемости не создается хороший запас воды в корнеобитаемом слое почвы, а в орошаемом земледелии наблюдается потеря поливной воды, что приводит к подъему уровня грунтовых вод. Повышенная минерализация грунтовых вод может вызвать при их капиллярном подъеме засоление почв.

Внесение органических и минеральных удобрений увеличивает водопотребление за счет почвенной влаги, но при этом снижался коэффициент водопотребления и транспарации в 1,2−1,5 раза. При применении органических и минеральных удобрений, а также комбинированной обработки почвы повышалась влагоемкость, расширялся диапазон активной влаги за счет уменьшения плотностного сложения.

Водоудерживающая способность почв — способность почвы удерживать в себе воду при условиях свободного ее оттока, т. е. способность удераживания воды после того как из почвы стекла вся гравитационная вода. Водоудерживающая способность напрямую связана с такой характеристикой как наименьшая влагоемкость, которая представляет наибольшее количество влаги, которую почва способна удерживать капиллярными силами после свободного стекания гравитационной влаги Получается, что поступающая в почву вода атмосферных осадков или искусственно поданная при поливах заполняет почвенные поры и более или менее равномерным фронтом продвигается в них в сторону грунтовых вод. После прекращения подачи воды с поверхности часть воды из профиля почвы стечет, это как раз гравитационная вода, передвигающаяся под влиянием силы тяжести. Несколько других форм воды задержатся в почве под влиянием сорбционных и капиллярных сил В случае глубокого залегания уровня грунтовых вод (свыше б—7 м) в почве задержатся прочносвязанная максимально-гигроскопическая вода, рыхлосвязанная пленочная вода и две формы воды капиллярной— капиллярная подвешенная и капиллярная посаженная (см. рис. 9, 10). В начальный период после стекания воды к названным категориям влаги будет приплюсовываться и некоторое количество гравитационной воды, которая может задержаться в крупных порах (микроводоемчиках), открытых лишь вверх или отшнурованных перешейками (пробками) адсорбированной воды.

При высоком уровне залегания грунтовых вод (меньше 6— 7 м) после стекания гравитационной воды в нижней части профиля почвы над уровнем грунтовых вод задержится еще одна форма капиллярной влаги — вода капиллярная подпертая.

Водоудерживающая способность зависит от наименьшей влагоемкости, а значит и от гранулометрического и минералогического состава, содержания гумуса, структурного состояния, пористости и плотности почвы. Для песчаных и супесчаных почв НВ составляет от 5 до 20%, для суглинистых и глинистых — от 20 до 45%. Наибольшие значения НВ характерны для гумусированных почв тяжелого гранулометрического состава обладающих хорошо выраженной макроструктурой и микроструктурой.

Водоудерживающая способность и наименьшая влагоемкость почвы — одни из обязательных характеристик почвенного плодородия. Лишь благодаря этому свойству почва может накапливать в себе и длительно сохранять водные запасы, без которых никакая жизнь в почве невозможна.

Глава 4. Доступность почвенной влаги растениям Почва является средой корнеобитания растений, существенно влияющей на поступление воды в растительный организм. Поступление воды из почвы к растениям является важным для рассмотрения фактором в формировании растительного покрова.

Доступность почвенной воды растениям является исключительно важной характеристикой, определяющей в значительной степени плодородие почв. Эта характеристика зависит от водного потенциала, коэффициента влагопроводности и от форм воды, содержащейся в почве.

Говоря о водном потенциале, его можно определить как количество работы, которую надо затратить, чтобы переместить единицу количества воды из сосуда со свободной чистой водой в данную точку почвенной системы (Слейчер, 1970). Водный потенциал, значение которого представляет собой отрицательную величину, во влажной почве приближается к нулю. По мере высыхания почвы ее водоудерживающие силы растут, т. е. водный потенциал уменьшается (увеличиваются его абсолютные отрицательные значения). Размерность водного потенциала эквивалентна размерности давлениям может быть выражена в Паскалях (Па). Бриггс и Шанц (1912) нашли, что при завядании растений водный потенциал почвы падает с —10 до —20 бар, а средняя величина водного потенциала, равная —15 барам, соответствует влажности устойчивого завядания (1 бар = 0,987 ат, 1 ат=105Па).

Потенциал почвенной воды на границе между почвой и корнем является очень важной почвенной характеристикой, определяющей доступность воды для растений. Вода поступает в корень в том случае, если водный потенциал корня ниже водного потенциала почвы, т. е. при наличии градиента водного потенциала, величина которого определяется соотношением скорости притока воды к корням и скорости поглощения ее корнями. Корневая система постоянно осваивает новые участки почвы. Зона наиболее быстрого поглощения воды находится обычно вблизи кончиков удлиняющихся корней. Поэтому как содержание воды, так и водный потенциал почвы сильно различаются в разных частях зоны обитания корней.

Коэффициент влагопроводности — количественная характеристика влагопроводности почвы, показывающая способность почвы проводить поток воды. Равен коэффициенту пропорциональности между скоростью потока воды и градиентом сил, вызывающих передвижение (давление, гидравлический напор, потенциал и т. п.). Размерность К. в. п. зависит от размерностей, в которых выражаются плотность потока и градиент движущих сил.

По доступности растения, различные формы воды, содержащейся в почве, подразделяют на следующие категрии.

• 1. Недоступная для растений. Это вся Прочносвязанная вода, составляющая в почве так называемый мертвый запас воды. Недоступность этой воды объясняется тем, что всасывающая сила корней намного меньше сил, которые удерживают эту воду на поверхности почвенных частиц, иначе говоря, всасывающего давления почвенной воды. Мертвый запас воды в почвах соответствует приблизительно максимальной адсорбционной влагоемкости или немного превышает ее.
• 2. Весьма труднодоступная для растений. Эта категория представлена в основном рыхлосвязанной (пленочной) водой. Трудная доступность ее обусловлена низкой подвижностью этой воды (низким коэффициентом влагопроводности), в силу чего вода не успевает подтекать к точкам ее потребления, т. е. к корневым волоскам. Количество весьма труднодоступной воды в почвах характеризуется диапазоном влажности от максимальной адсорбционной влагоемкости до влажности завядания. Содержание воды в почве, соответствующее влажности завядания, является нижним пределом продуктивной влаги.
• 3. Труднодоступная вода лежит в пределах между влажностью завядания и влажностью разрыва капилляров. В этом интервале влажности растения могут существовать, но продуктивность их снижается. Уменьшение доступности воды отражается в первую очередь не на внешнем состоянии растений (завядание), а на снижении их продуктивности.
• 4. Среднедоступная вода отвечает диапазону влажности от влажности разрыва капилляров до наименьшей влагоемкости. В этом интервале вода обладает значительной подвижностью, и растения поэтому могут бесперебойно снабжаться ею. Это — наиболее ценная влага, полностью доступная для растений.

Итак, почва является средой корнеобитания растений, существенно влияющей на поступления воды в растительный организм и на водообмен последнего. Благоприятные водные свойства почвы — важнейшее условие для оптимальной жизни растений, а следовательно, залог высокой их продуктивности.