Категории, формы, виды влаги в почве
Вода в почву поступает за счет атмосферных осадков, передвижения грунтовых вод, конденсации водяных паров, искусственного орошения.
Однако не вся вода в почве используется растениями. Часть ее испаряется в атмосферу, некоторое количество удерживается твердой фазой почвы с большой силой и недоступно растениям.
Почвенную влагу принято делить на категории, формы и виды (А.Ф. Лебедев, А.А. Роде, С.И. Долгов, Н.А. Качинский и др.) (рис. 5).
Различают следующие категории почвенной влаги:
1. Кристаллизационная (конституционная) влага – отличается исключительно высокой прочностью связи и неподвижностью.
2. Твердая влага – лед. Неподвижная влага.
3. Парообразная влага – передвигается в форме водяного пара от участков с высокой абсолютной упругостью к участкам с более низкой упругостью; может пассивно передвигаться с током воздуха.
Рис. 5. Классификация почвенной влаги
4. Прочносвязанная влага – весьма прочно удерживается адсорбционными силами, присущими почвенным частицам, образует на поверхности их тонкую пленку толщиной в 2–3 молекулы. Может передвигаться лишь в парообразном состоянии.
5. Рыхлосвязанная влага – удерживается на поверхности тонких пленок прочносвязанной воды силой ориентированных молекул (диполей воды), а также за счет гидратирующей способности обменных катионов. Образует вокруг почвенных частиц пленку, толщина которой может достигать десятков молекулярных диаметров воды. Передвигается под влиянием сорбционных сил.
6. Свободная влага не связана силами притяжения с почвенными частицами, передвигается под действием капиллярных и гравитационных сил. Свободная влага делится на три формы – подвешенная, подпертая гравитационная и свободная гравитационная. Для подвешенной влаги характерно отсутствие гидрологической связи с постоянным или временным водоносным горизонтом. Подпертая гравитационная влага удерживается из-за близкого залегания грунтовых вод, подпирающих снизу воду в капиллярах и более крупных порах почвы. Свободная гравитационная влага находится преимущественно в крупных порах почвы и передвигается исключительно под влиянием силы тяжести. Подвешенная форма влаги встречается в четырех видах – стыковая капиллярноподвешенная, внутриагрегатная капиллярноподвешенная, насыщающая капиллярноподвешенная, сорбционнозамкнутая.
Стыковая капиллярноподвешенная влага находится в виде разобщенных скоплений вокруг точек соприкосновения твердых частиц; характеризуется отсутствием гидростатической сплошности, удерживается капиллярными силами.
Внутриагрегатная капиллярноподвешенная влага находится в капиллярах, пронизывающих агрегаты; удерживается капиллярными силами.
Насыщающая капиллярноподвешенная влага целиком заполняет тонкие поры почвы, удерживается капиллярными силами и силами смачиваемости первоначально сухой почвы.
Сорбционнозамкнутая влага находится в виде микроскоплений в некапиллярных порах, изолированных перемычками и пробками из связанной воды; удерживается сорбционными силами.
Подпертая гравитационная влага делится на подперто-подвешенную капиллярную и подпертокапиллярную. Подперто-подвешенная капиллярная влага находится в мелкопористых слоях почвы, подстилаемых более легкими и более крупнопористыми слоями; удерживается капиллярными силами. Подпертокапиллярная влага находится в капиллярах, подпираемых грунтовыми водами или верховодкой; удерживается капиллярными силами.
Свободная гравитационная влага также встречается в двух видах – просачивающаяся и влага водоносных горизонтов. Просачивающаяся – свободная гравитационная влага, которая передвигается при нисходящем токе под влиянием силы тяжести. Влага водоносных горизонтов удерживается вследствие непроницаемости водоупорного слоя.
Свободная (гравитационная)
вода заполняет крупные почвенные поры,
под действием силы тяжести образует нисходящий
ток, формируя верховодку и частично просачиваясь
в грунтовые воды. За счёт гравитационной
воды в почве проходят элювиальные и иллювиальные
процессы, из неё образуются все другие
формы почвенной влаги. Сама может конденсироваться
из парообразной, но преимущественно пополняется
за счёт атмосферных осадков.
Парообразная
влага присутствует в почве при любом
уровне её увлажнения, заполняя поры, свободные
от капельно-жидкой. Различают активное
и пассивное передвижение парообразной
влаги. Первое обусловлено явлениями диффузии,
второе происходит вместе опосредованно
совместно с перемещением почвенного
воздуха. Парообразная влага имеет большое
значение в круговороте воды в почве, хотя
на неё приходится не более 0,001 % от общей
массы почвенной влаги. С течением времени
пары воды из почвы улетучиваются в атмосферу,
а запасы парообразной влаги пополняются
из других форм, в том числе и физически
связанных. При одинаковой температуре
массы парообразной влаги перемещаются
из участков, более насыщенных водяными
парами, в менее насыщенные. При разной
температуре движение осуществляется
в область с меньшей температурой, но вовсе
не обязательно, что в сторону более сухого
участка. Парообразная влага циркулирует
по всему профилю независимо от мощности
и глубины залегания грунтовых вод.
Лёд образуется
в почвах при понижении температуры из
других форм влаги последовательно —
начиная от свободных и заканчивая связанными.
Так, гравитационная вода замерзает в
незасоленных почвах при температурах,
близких к 0 °C, а максимально гигроскопическая
— только при -78 °С. Промерзание почвы,
смоченной не сильнее её общей влагоёмкости,
сопровождается улучшением почвенной
структуры за счёт спрессования зёрен
и комочков водой, замёрзшей в крупных
порах, и коагуляции коллоидов в незамёрзших
объёмах воды. Промерзание же переувлажнённой
почвы влечёт за собой её обесструктуривание
из-за разрыва льдом структурных элементов.
Замёрзшие умеренно увлажнённые почвы
обладают некоторой водопроницаемостью,
тогда как переувлажнённые почвы вплоть
до своего оттаивания являются водоупорами.
Замерзание всей находящейся в почве воды
наблюдается для грунтов при температурах.
Химически связанная (конституционная)
влага — входит в состав молекул веществ
(например ), образующих минеральную часть почвы,
в виде гидроксильной группы, фактически
участвуя лишь при их образовании (например, ).
При прокаливании почвы в интервале 400—800
°С удаляется, что сопровождается разложением
соответствующего минерала. Наибольшее
количество химически связанной воды
содержится в глинистых минералах, поэтому
о её содержании в почве можно судить по
степени глинистости грунта.
Кристаллогидратная
(кристаллизационная) влага — в отличие
от химически связанной, входит в состав
веществ целыми молекулами, образуя кристаллогидраты
— (гипс), (мирабилит) и др. Удаляется скачкообразно
при температурах 100—200 °С, причём
каждая последующая молекула воды отщепляется
при более высокой температуре, что приводит
лишь к изменению физических свойств минералов,
а не к их разложению, как в случае с химически
связанной влагой. В больших количествах
такая вода имеется в мирабилитовых солончаках.
Химически связанную и кристаллогидратную
влагу часто объединяют под названием
гидратной. Гидратная влага в почве
не передвигается и растениям недоступна.
Гигроскопическая
влага — адсорбированная частицами почвы
из атмосферы при её влажности менее 95
%, либо остающаяся в почве при её высушивании
до воздушно-сухого состояния (обычно
при влажности воздуха 50-70 %). Соответственно,
при повышении влажности воздуха возрастает
и величина гигроскопической влажности
почвы. То же происходит и по мере утяжеления
гранулометрического состава почвы, что
особенно хорошо проявляется при высоком
содержании в почве гумуса и ила с диаметром
частиц менее 0,001 мм. По представлениям
большинства исследователей, гигроскопическая
влага не сплошь покрывает частицы почвы,
а концентрируется лишь на некоторых участках.
Максимально-гигроскопическая
влага адсорбируется почвой из атмосферы
с относительной влажностью 95-100 %. При
отрицательных температурах максимальная
гигроскопическая влажность незасоленной
почвы совпадает с процентным содержанием
незамёрзшей воды в целом. Адсорбционная
способность частиц почвы зависит от их
величины, формы и химического состава,
причём даже на одной частице мощность
слоя влаги может быть различной в зависимости
от формы поверхности. При этом часть паров
конденсируется на вогнутых участках,
в результате чего суммарное количество
воды имеет двойную природу, складываясь
из адсорбированной и капиллярно-конденсированной
влаги. Гигроскопическая и максимально-гигроскопическая
влага удаляются из почвы при нагреве
до 100—105 °C, растениям эти формы недоступны.
Плёночная (молекулярная)
влага — дополнительная влага, адсорбируемая
почвой из жидкой фазы поверх слоя максимально-гигроскопической.
С частицами почвы связана слабее, чем
последняя, причём рыхлость возрастает
от внутренних слоёв ко внешним. По этой
причине плёночная влага, хотя слабо, но
усваивается растениями. Передвигается
она под влиянием градиентов напора воды,
температуры и влажности почвы, а также
осмоса, её скорость же ограничивается
десятками сантиметров в год.
Капиллярная
влага — удерживается и передвигается
по мелким порам в почве под действием
капиллярных сил. В порах более 8 мм в диаметре
сплошной вогнутый мениск не образуется,
так как капиллярные силы не выражены.
В порах же менее 3 мкм вода находится преимущественно
в адсорбированном состоянии, а капиллярное
движение сильно затруднено или вообще
отсутствует. Соответственно, наибольшая
интенсивность капиллярного движения
влаги наблюдается в почвах со средним
гранулометрическим составом (лёссовидные
суглинки и т.п.); осуществляется же оно
сообразно градиентам влажности, температуры
и химического потенциала (осмоса): в зоны
с меньшим увлажнением и менее нагретые.
Выделяется три вида капиллярной влаги:
подпёртая (когда капилляры нижней своей
частью сообщаются с водоносным горизонтом
— почвенной верховодкой или грунтовыми
водами), подвешенная (когда капиллярная
влага оторвана от водоносных горизонтов
и удерживается равнодействующей силой
менисков) и посаженная (образующаяся
при движении воды при резкой смене гранулометрического
состава и на границах с внутрипочвенными
пустотами). Капиллярная влага бывает
открытая и закрытая (замкнутая) для проникновения
воздуха. Закрытая находится непосредственно
под водоносными горизонтами, и капилляры
оказываются полностью заполнены водой,
хотя и содержащей некоторое количество
растворённого воздуха; вода же открытого
типа чередуется в капиллярах с участками,
заполненными воздухом и появляется в
почве обычно через некоторое время после
осадков или полива. Капиллярная влага
легко доступна растениям и является одним
из основных источников их водного питания;
посредством её передвигается основная
масса растворимых солей из нижних горизонтов.
Внутриклеточная
вода содержится в отмерших неразложившихся
частях растений. До полного разложения
растительной массы такая вода растениям
не доступна. Большой процент её имеется
в слабо и неразложившихся торфах, дернине
и лесной подстилке.
Значение мелиорации в повышении
урожайности сельскохозяйственных
культур.
Мелиорация
(от лат. melioratio – улучшение), совокупность
организационно-хозяйственных и технических
мероприятий, направленных на коренное
улучшение земель. Мелиорация даёт возможность
изменять комплекс природных условий
(почвенных, гидрологических и др.) обширных
регионов в нужном для хозяйственной деятельности
человека направлении: создавать благоприятные
для полезной флоры и фауны водный, воздушный,
тепловой и пищевой режимы почвы и режимы
влажности, температуры и движения воздуха
в приземном слое атмосферы; способствует
оздоровлению местности и улучшению природной
среды. Наибольшее значение Мелиорация
имеет для сельского хозяйства, придавая
большую устойчивость этой отрасли народного
хозяйства и обеспечивая более стабильные
валовые сборы сельскохозяйственных культур;
позволяет производительнее использовать
земельный фонд. Мелиорация – важный фактор
интенсификации сельскохозяйственного
производства (совместно с механизацией
и химизацией) и научно-технического прогресса
в сельском хозяйстве, открывающий широкие
возможности для повышения урожайности,
создания прочной кормовой базы животноводства,
освоения пустынных и заболоченных земель.
Технический уровень мелиорация определяется
характером производственных отношений,
уровнем развития производительных сил
страны, а также зональными условиями
отдельных территорий и хозяйственными
задачами. Различают следующие виды мелиораций:
сельскохозяйственные (обеспечивают повышение
продуктивности сельскохозяйственных
угодий и их расширение за счет освоения
болот, заболоченных земель, сухих степей
и пустынь), лесные (улучшение условий
для роста деревьев и использование лесов),
санитарные (борьба с малярией, оздоровление
территорий), зоомелиорация и др. Основной
же всех видов мелиорации является гидротехническая,
или гидромелиорация. Она направлена на
регулирование водного режима почв с помощью
осушения, орошения и обводнения. Поэтому
различают оросительную, осушительную
и обводнительную мелиорации. Мелиорация
земель значительно повышает их продуктивность.
Орошение увеличивает урожайность зерновых
культур на 1,5-2 т/га, то есть практически
удваивает урожай. В 1,5-2 раза возрастает
продуктивность земель при осушении, а
при создании орошаемых культурных пастбищ
их продуктивность повышается в 3-4 раза.
С орошаемых земель с 1 га получают по 4-5
т пшеницы, 5-6 т риса, а продуктивность
кормовых культур составляет 40-60 корм,
ед/га. В результате мелиорации коренным
образом изменяются водный, тепловой режимы
почвы, речной сток и запасы воды в озерах.
Мелиоративные мероприятия, проводимые
в широких масштабах, оказывают влияние
на всю окружающую среду, поэтому особенно
важно заранее предусмотреть и предупредить
их возможные отрицательные последствия.
Корнеотпрысковые сорные растения,
их характеристики и меры борьбы с
ними.
Сорняки – это
растения, засоряющие сельскохозяйственные
угодья и наносящие вред сельскохозяйственным
культурам. Они снижают урожайность сельскохозяйственных
культур, ухудшают качество продукции.
Развивая мощную корневую систему, сорняки
поглощают большое количество влаги и
питательных веществ. Также способствуют
размножению вредителей и распространению
болезней сельскохозяйственных растений.
Наиболее злостными сорными растениями
являются корнеотпрысковые. Они быстро
размножаются, преимущественно вегетативно
и в меньшей степени семенами, имеют широкое
распространение и засоряют все сельскохозяйственные
культуры. От главного корня разветвляются
боковые, косо углубляющиеся корни, от
которых образуется новая поросль, способная
давать отпрыски, Постепенно от одного
растения во все стороны распространяется
много новых, так как небольшие отрезки
или обломки корней способны отрастать,
образуя другие растения. Наиболее распространены
следующие виды корнеотпрысковых сорняков:
бодяк, осот полевой, вьюнок полевой, сурепка
обыкновенная, льнянка обыкновенная.
Бодяк засоряет
все полевые культуры; вертикальный
(главный) корень достигает 4—6 м. На глубине
15—30 см на нем образуется много боковых
корней (отпрысков). На главном корне
развиваются почки, дающие наземные
розетки.
Осот полевой
также злостный сорняк, засоряющий
все культуры, сильно иссушающий и
истощающий почву.
Вьюнок полевой
распространен повсеместно, засоряет
все сельскохозяйственные культуры.
От главного корня на глубине 25— 40 см
от поверхности почвы отходят
боковые корни. Он хорошо отрастает
от отрезков корней, высоко обвивает стебли
культурных растений, угнетает их и
вызывает полегание хлебных злаков
и других культур.
Сурепка обыкновенная
встречается повсеместно, засоряет
все культуры и луга, размножается
вегетативно и семенами.
Льнянка обыкновенная
засоряет все посевы, особенно кормовые
травы и лен, всходы ее очень схожи
со всходами льна.
Основной
агротехнический метод борьбы с
корнеотпрысковыми сорняками —
истощение корневой системы частыми
подрезаниями на разную глубину с
последующей глубокой вспашкой. Осенью
проводят два лущения: первое дисковым
лущильником на глубину 6—7 см, второе
отвальным на глубину 8—10 см с последующей
глубокой вспашкой плугом с предплужником,
причем предплужник устанавливается
на 3—4 см глубже, чем последнее отвальное
лущение. В системе обработки
чистых паров и при полупаровой
обработке проводят 4—6 культиваций.
Применяются и химические меры борьбы.
Более быстрый и надежный способ
уничтожения злостных корнеотпрысковых
сорняков — это сочетание агротехнического
метода истощения с химическим методом
борьбы.
Мелиоративная вспашка, её преимущества
в обработке с солонцами.
Мелиорация
малопродуктивных, а в частности
солонцовых земель – важный резерв повышения
производства зерна и кормов для
животноводства. Продуктивность природных
кормовых угодий на солонцах крайне низка,
а при мелиорации урожайность сеяных трав
можно повысить в несколько раз. Солонцовые
почвы имеют неблагоприятные водно-физические
и химические свойства, обусловленные
наличием в почве значительного количества
поглощенного натрия, что отрицательно
сказывается на развитии растений. Даже
в благоприятные по увлажнению годы урожаи
на солонцах в 2-3 раза ниже, чем на находящихся
в комплексе с ними каштановых почвах,
а в засушливые годы они практически ничего
не дают. Наиболее распространенным и
простым способом улучшения солонцов
является агробиологический метод, основанный
на вовлечении внутрипочвенных запасов
кальциевых солей в пахотный горизонт
с помощью специальных мелиоративных
обработок. Задача этих обработок состоит
в том, чтобы максимально сохранить высокое
естественное плодородие верхнего гумусового
горизонта, а свойства нижележащих подвергнуть
коренным изменениям. Мелиоративная вспашка
— это обработка почвы специальными плугами
(плантажным, трехъярусным, безотвальным
и др.) для улучшения свойств почвы. Сюда
относится вспашка плантажным, безотвальным
и трехъярусным плугом. Применяется, в
основном, на торфяно-болотных, дерново-подзолистых,
солончаковатых и серых лесных заболоченным
почвах и при разрушении плужной подошвы
почв. Глубина мелиоративной вспашки
достигает 50 см и более. Солонцы как главный
компонент солонцового комплекса характеризуются
неблагоприятными химическими и водно-физическими
свойствами. Глубокая мелиоративная вспашка
ярусными плугами на солонцеватых и солончаковатых
почвах должна быть направлена на создание
мощного корнеобитаемого пахотного слоя
вследствие разрушения уплотненного солонцового
горизонта, вовлечение в пахотный слой
кальциевых солей при глубине их залегания
от поверхности до 40 см, улучшение водно-физических
свойств почвы, что способствует удалению
вредных солей, образовавшихся в результате
реакции обмена. Глубину и способы мелиоративной
вспашки принимают в каждом конкретном
случае в зависимости от мощности надсолонцового
слоя, глубины залегания солей кальция
(карбонатов и гипса), глубины залегания,
качественного состава и количества легкорастворимых
солей и т.д. Широко распространена мелиоративная
трехъярусная вспашка почв солонцового
комплекса, она обеспечивает устойчивое
повышение урожайности всех возделываемых
культур. При трехъярусной вспашке верхний
плодородный горизонт оборачивается и
остается на месте, а нижний подсолонцовый
перемещается в середину между надсолонцовым
и солонцовым горизонтами. Трехъярусные
плуги в каждой секции имеют по три
плужных корпуса, смещенных относительно
друг друга по высоте и ширине захвата,
каждый из которых предназначен для обработки
соответствующего генетического горизонта.
Категории, формы и виды почвенной влаги
Влага в почве может находиться в твердом, газообразном и жидком состоянии.
Согласно классификации А.А. Роде, в почве можно выделить следующие категории почвенной влаги.
Кристаллизационная влага прочно связана в кристаллических решетках минералов (алюмосиликатов, гидроксидов, простых солей) и входит в твердую фазу почвы. Так, при кристаллизации сернокислого кальция и образовании гипса на каждую молекулу CaS04 связывается две молекулы воды (CaS04 • 2Н20), при кристаллизации сернокислого натрия и образовании мирабилита — 10 молекул (Na2S04 • ЮН20).
Твердая влага — лед — периодически появляется в верхних горизонтах сезоннопромерзающих почв и постоянно присутствует в нижних горизонтах почв с вечной мерзлотой.
Парообразная влага присутствует в почвенном воздухе в форме водяного пара. Попадая в почву из атмосферы или за счет испарения воды внутри почвы, она движется в порах и пустотах от мест с большей упругостью пара к местам с меньшей его упругостью. В почвах с сезонной и вечной мерзлотой парообразная влага перемещается к холодному фронту, где конденсируется, что сохраняет низкую упругость водяного пара на границе мерзлого и талого слоев. Некоторое значение для пассивного передвижения водяного пара имеет тепловое расширение почвенного воздуха, обычно наблюдаемое в верхних горизонтах при нагревании их в течение дня. Давление атмосферного воздуха и аэродинамические силы, возникающие при действии на поверхность почв ветра, усиливают обмен парообразной влаги между почвой и атмосферой.
Жидкая влага присутствует в почве в виде связанной и свободной влаги. Каждая из них представлена несколькими формами влаги.
1. Связанная влага удерживается на поверхности твердых частиц силами молекулярного притяжения. Она делится на прочносвязанную и рыхлосвязанную влагу.
Прочносвязанная (гигроскопическая) влага. Движение частиц водяного пара и их количество в почве регулируется сорбционными силами — притяжением молекул парообразной воды к твердым почвенным частицам и превращением ее в прочносвязанную гигроскопическую влагу.
Силы притяжения твердыми частицами парообразной влаги действуют на малое расстояние, равное нескольким диаметрам молекулы воды. Адсорбция первых слоев воды почвенными частицами совершается:
а) за счет водородных связей с атомами кислорода, входящими в состав поверхностного слоя частиц;
б) за счет гидратации катионов, которые расположены на поверхности частиц в точках изоморфного замещения атомов кремния и алюминия на атомы магния.
По существующим представлениям, начальная стадия процесса сорбции парообразной влаги в почве заключается в притяжении молекул водяного пара поверхностными молекулами и ионами самого вещества: возникает первый слой сорбированных молекул. Толщина этого слоя измеряется двумя-тремя диаметрами молекул. Следующие слои молекул воды притягиваются уже молекулами самой адсорбированной воды, что облегчается их дипольным характером. Все молекулы сорбированной воды находятся, таким образом, в строго ориентированном положении (рис. 10.1). Наблюдения, произведенные над адсорбцией водяного пара кварцевым песком, показали, что образование мономолекулярного слоя проис-
см2Д г/100 г
Размер частиц, мм
Рис. 10.1. Зависимость толщины оболочки воды (число молекулярных слоев), сорбированной из водяного пара (по А.А. Роде): 1 — от размера частицы; 2 — количества сорбированной воды; 3 — удельной поверхности от размера частицы
ходит при очень небольшом давлении водяного пара — около 1 % относительной влажности. При дальнейшем увеличении давления пара начинается процесс многослойной сорбции. При 80—85 % относительной влажности толщина пленки гигроскопической воды равна 30—50 диаметрам ее молекул.
Прочносвязанная влага обладает свойствами, отличающими ее от свободной воды: она имеет повышенную плотность (1,1 — 1,7), меньшую теплоемкость (около 0,5), не способна растворять электролиты и проводить электрический ток, не замерзает вплоть до —78 °С и обладает механическими свойствами, сближающими ее с твердыми телами (модулем сдвига и пределом текучести). При адсорбции первых слоев воды выделяется теплота смачивания.
Гигроскопическая влага удерживается на поверхности почвенных частиц силами молекулярного притяжения настолько прочно, что удалить ее можно только путем перевода в парообразное состояние при нагревании почвы свыше 100 °С в течение 4—5 ч. Максимальное количество прочносвязанной (гигроскопической) влаги в данной почве является водно-физической константой и называется максимальной гигроскопичностью (МГ).
Рыхлосвязанная (или пленочная) влага — это вода, удерживаемая силами молекулярного притяжения сверх величины максимальной гигроскопичности. Ее основной признак — ориентированное расположение молекул воды. Наибольшее количество рыхлосвязанной (пленочной) воды может в 2—4 раза превышать величину максимальной гигроскопичности. Это дополнительное количество влаги, удерживаемой силами молекулярного притяжения, почва не может поглотить даже из насыщенной водяными парами атмосферы; рыхлосвязанная влага сорбируется только при соприкосновении почвенных частиц с жидкой влагой.
В отличие от прочносвязанной рыхлосвязанная влага способна к передвижению от одной почвенной частицы к другой: от частиц с более толстыми пленками к частицам с менее толстыми. Однако это движение возможно лишь пока существует некоторый градиент влажности и совершается оно с очень малой скоростью.
Рыхлосвязанная влага может быть удалена из почвы центрифугированием (при высоком ускорении, развиваемом центрифугой) или отпрессованием (при давлении до 6850—2000 кг/см2).
Рыхлосвязанная (или пленочная) влага отличается от обычной жидкой влаги, находящейся в почве, лишь несколько пониженной концентрацией растворенных веществ и температурой замерзания (при понижении температуры до —15 °С количество незамерзшей воды близко к величине максимальной гигроскопичности).
Наибольшее количество воды, которое может быть удержано в почве силами молекулярного притяжения, называется максимальной молекулярной влагоемкостью (ММВ ) и выражается в процентах от массы или объема почвы.
2. Свободная влага встречается в почвах в формах: подвешенной, подпертой гравитационной и свободной гравитационной.
Капиллярно-подвешенная влага. Характерным свойством ее являяется отсутствие гидростатической связи с постоянными или временными водоносными горизонтами. Она образуется при увлажнении почвы сверху (после дождя или полива). Наибольшее количество подвешенной влаги, остающееся в верхних горизонтах почв после их смачивания сверху, называется наименьшей влагоемкостью или полевой влагоемкостью почвы (НВ ).
Различают следующие виды подвешенной влаги:
а) стыковая капиллярно-подвешенная. Встречается в почвах различного гранулометрического состава в виде разобщенных скоплений вокруг точек соприкосновения твердых частиц при влажности < НВ. Гидростатическая сплошность отсутствует, влага удерживается капиллярными силами (рис. 10.2);
в) насыщающая капиллярно-подвешенная. Встречается в среднезернистых почвах, в поверхностном слое, целиком заполняя поровое пространство почвенной массы. Этот вид влаги возникает при исходной сухости почвы или грунта. Удерживается капиллярными силами. Большую роль в удержании влаги играет плохая смачиваемость первоначально сухой почвы. Характерна предельная мощность насыщенного слоя, при превышении которой равновесие нарушается и вся влага, за исключением стоковой, стекает вниз;
г) сорбционно-замкнутая. Встречается в почвах среднего и тяжелого гранулометрического состава в виде микроскоплений в крупных порах, изолированных друг от друга перемычками из связанной влаги. Удерживается сорбционными силами.
встречается в двух формах:
а) подперто-подвешенная капиллярная влага. Образуется при
Рис. 10.2. Водяная манжета (стыковая вода) между двумя шарообразными частицами (по А.А. Роде)
влажности, равной НВ и выше, в слоистых толщах в более тяжелых (более мелкопористых) слоях при подстилании их более легкими (более крупнопористыми);
Максимально возможное в данной почве количество капиллярно-подпертой влаги называется капиллярной влагоемкостью (KB).
Свободная гравитационная влага — для нее характерно передвижение под влиянием силы тяжести. Подразделяется на два вида:
б) влага водоносных горизонтов — фунтовые, почвенно-фунтовые и почвенные воды, удерживаемые вследствие наличия водонепроницаемого подстилающего слоя. Эти воды могут быть застойными или при наличии разности гидравлических напоров стекающими в направлении уклона водоупорного слоя.
Водно-физические свойства почвы
В ряду главных водно-физических свойств следует назвать водоудерживающую и водопропускную способность почвы.
Водоудерживающая способность почвы. Способность твердой фазы почвы при участии сорбционных и капиллярных сил удерживать почвенную влагу от стекания (под влиянием силы тяжести) называется водоудерживающей способностью. Наибольшее количество воды, удерживаемое почвой теми или иными силами, называется влагоемкостью. Различают несколько видов влагоемкости.
Способность твердых частиц поглощать из воздуха парообразную влагу называется гигроскопичностью почвы. Даже совершенно сухая на вид почва («воздушно-сухая почва»), долгое время хранящаяся в помещении, обычно содержит некоторое количество гигроскопической влаги. Последнюю выражают в процентах к весу абсолютно сухой почвы (высушенной при t— 105 °С). Количество гигроскопической воды, которое может быть поглощено данной почвой, зависит от относительной упругости водяного пара в воздухе, соприкасающегося с почвой, и от ее механического состава.
Максимальная гифоскопичность (МГ), т. е. количество влаги, которое она может поглотить из воздуха, выражается в процентах от веса почвы. Величина максимальной гифоскопичности колеблется от 2—3 % в почвах легкого гранулометрического состава до 12—15 % в тяжелых почвах с большим содержанием гумуса.
Максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ) в глинистых почвах достигает 43—44 %, в большинстве суглинистых почв она составляет 7—15 %.
В суглинистых и глинистых почвах количество подвешенной влаги и особенно мощность смоченного слоя могут достигать значительных величин. Так, по наблюдениям в лёссовых грунтах со сквозным промачиванием величина наименьшей влагоемкости (23—25 %) сохраняется на глубине до 15 м (данные А.А. Измаильского).
При увлажнении почвы сверху (при поливе или после дождя) распределение капиллярно-подвешенной влаги в суглинистых фунтах имеет вид, изображенный на рис. 10.3. Распределение подвешенной влаги в почве через различные сроки после полива указывает на возможность лишь очень медленного ее стекания вниз, но общий характер кривых говорит о том, что поступившая в почву влага удерживается в ней достаточно прочно.
Почвенно-грунтовая толща, расположенная непосредственно над зеркалом грунтовых вод, содержит капиллярно-подпертую влагу. При испарении этой влаги у верхнего края капиллярной каймы от зеркала грунтовых вод идет поступление новых порций воды. Величина капиллярной влагоемкости (KB) на разном расстоянии от уровня грунтовых вод непостоянна. Она изменяется от 17—20 до 50—60% от массы почвы.
В природе влажность почв изменяется весьма значительно в пределах капиллярно-смоченного слоя, поэтому то, что называют капиллярной влагоемкостью, определяется в лаборатории при насыщении почвы в небольших цилиндрах (высотой 15—20 см) и представляет максимальное количество капиллярной влаги, удерживаемое почвой непосредственно над уровнем слоя гравитационной воды.
Рис. 10.3. Распределение влаги в почве при увлажнении
сверху через (по И.Б. Ревуту):
1 — 3 сут; 2—12 сут;
3 — 21 сут после увлажнения
Рис. 10.4. Равновесное распределение влажности в почвенно-грунтовой
толще, промоченной насквозь (по А.А. Роде)
Когда все поры в почве (капиллярные и некапиллярные) полностью заполнены влагой, наступает наибольшая степень влагонасыщенности почв. Количество влаги, находящееся в почве в данных условиях, называется полной влагоемкостъю (ПВ) или водовместимостью. В состоянии увлажнения, равном полной влагоемкости, почвы находятся при отсутствии или затруднении стока гравитационной влаги.
Водоподъемная способность почвы. Свойство почвы вызывать подъем влаги по капиллярам называется водоподъемной способностью. В природе над зеркалом грунтовых вод создается кайма капиллярно-подпертой влаги. Содержание влаги в кайме уменьшается снизу вверх от почти полной влагоемкости до наименьшей (рис. 10.4).
Мощность капиллярной каймы или водоподъемная способность почв зависит от их гранулометрического состава (табл. 10.1, рис. 10.5).
Высота капиллярного подъема возрастает от песков через супеси к лёссовидным суглинкам, а при переходе к грунтам более тяжелого
Высота капиллярного подъема в колонках из грунта с различной крупностью зерен (по В. Новаку и И. Печанеку)
Рис. 10.5. Капиллярный подъем влаги в насыпных колоннах из частиц разного размера (по А.А. Роде)
гранулометрического состава снова начинает уменьшаться вследствие того, что сила трения в тонких капиллярах становится очень большой, а тонкие поры сплошь заполняются связанной пленочной влагой. Максимальная высота капиллярного поднятия, отмеченная Н.А. Качинским для лёссовидных суглинков в лабораторных условиях, равнялась 350 см (за 5 лет). В природных условиях им отмечен капиллярный подъем на высоту до 600 см. Высота капиллярной каймы находится в обратной зависимости от степени минерализации воды.
Капиллярно-подвешенная влага также может передвигаться кверху в направлении испаряющей поверхности в пределах всей промоченной толщи. По мере испарения жидкости близ поверхности образуется слой с максимальным содержанием растворимых веществ.
С передвижением и испарением капиллярно-подвешенной влаги восходящее движение почвенной влаги кверху при определенном пределе влажности прекращается, а именно когда капилляры разрываются и исчезает сплошность свободной влаги. Значение влажности, при котором движение кверху подвешенной влаги прекращается, называется влажностью разрыва капилляров (ВРК). Величина влажности разрыва капилляров при прочих равных условиях изменяется в зависимости от структурного состояния почвы.
Бесструктурные почвы теряют воду за счет ее передвижения к слоям иссушения значительно больше, чем почвы структурные. Подвижная вода в почвах тяжелого гранулометрического состава в случае их полной бесструктурности может быть представлена не столько капиллярной, сколько рыхлосвязанной (пленочной) водой.
Водопроницаемость почв. Способность почвы пропускать через себя гравитационную влагу называется водопроницаемостью, а процесс поступления — впитыванием воды. Способность к передвижению влаги вниз появляется в почвах, влажность которых превышает величину наименьшей влагоемкости. Водопроницаемость почвы зависит от гранулометрического состава и структурного состояния и, в особенности, от величины некапиллярной скважности.
Водопроницаемость измеряется расходом влаги (мм) за определенное время (ч) при постоянном гидростатическом давлении сверху (5 мм водного столба). Если влага поступает в относительно сухую почву, то в начальные моменты увлажнения расход воды очень велик за счет впитывания влаги в верхний рыхлый и влагоемкий гумусовый горизонт почвы, затем расход воды постепенно уменьшается и устанавливается постоянная скорость просачивания, или фильтрации, воды через насыщенную ею почву.
Скорость впитывания характеризуется величиной коэффициента впитывания (или коэффициента поглощения — К), который изменяется в процессе впитывания (рис. 10.6) и находится в некоторый момент времени t (согласно А.И. Костякову) в следующей зависимости от начальной его величины К:
где постоянная величина а < 1
Коэффициент фильтрации Хф сильно меняется по профилю почвы в зависимости от различий гранулометрического состава, агрегированности и пористости почв.
На рис. 10.6 приводятся величины коэффициентов фильтрации лесной дерново-среднеподзолистой почвы, развитой на легком покровном суглинке при подстилании его тяжелыми суглинками. Величина Кф с глубиной резко понижается, особенно резкие скачки (в 2—3 раза) происходят на Глубине 50, 100 и 150 см. Глубже (до 4 м) наблюдается хотя и более Медленное, но заметное снижение водопроницаемости. В целом на протяжении 4 м Кф уменьшается почти в 90 раз (от 71,0 см/сут в слое О—50 см до 0,8 см/сут в слое 350—400 см). В степных почвах (черноземах) значительное уменьшение водопроницаемости наблюдается на глубине около 1,5 м при переходе к почвообразующей породе — лёссовидному суглинку. Столь же сильно изменяется водопроницаемость в пространстве в силу неравномерного распределения в них водопроводящих каналов — различных полостей, ходов корней и нор животных, наличия трещин. Влага проходит в почву языками, вследствие чего влажность почвы на одной и той же глубине, но в разных точках сильно различается.
Далее приводятся различные градации коэффициента фильтрации для характеристики водопроницаемости почв. А.И. Костяков предложил следующую трехчленную шкалу (мм/ч):
По Н.А. Качинскому, при напоре столба воды 5 см и температуре 10 °С можно выделить шесть градаций водопроницаемости (мм/ч):
Рис. 10.6. Изменение во времени водопроницаемости тяжелосуглинистой почвы (по Н.Ф. Созыкину): 1 — под лесом; 2 — на пашне
