Что делает вода для почвы

Почвенные воды

Почвенные воды, как уже было указа­но, представляют воды, залегающие у дневной поверхно­сти. Они не имеют непосредственно под собой водоупорного ложа и в этом отношении являются как бы водами под­вешенными. Наличие подобных вод можно представить себе следующим образом. На какой-нибудь поверхности в течение года выпало некоторое количество осадков, например 536 мм (Москва). Часть этих осадков испарилась, другая стекла по неровностям рельефа и третья (допустим, около 25%, т. е. 134 мм) просочилась в землю. Если при­нять пористость сухой земли в данном месте равной около 30%, то просочившаяся вода смочит землю на глубину не более 60 см и дальше вглубь в жидком состоянии не продвинется в силу влагоемкости земли. Таким образом эта вода окажется как бы во взвешенном состоянии в порах породы и будет существовать до тех пор, пока вследствие испарения, транспирации или передвижения вглубь в паро­образном состоянии она не иссякнет. Гравитационная вода здесь бывает нормально только в периоды избыточного увлажнения: в периоды снеготаяния, обложных дождей, разливов рек в поймах и пр.

Иногда почвенные воды определяют как воды, залегаю­щие в той части почвы, которая занята корневыми система­ми травянистых и кустарниковых растений, или же как воды, приуроченные к зоне зимнего промерзания. И то и другое определение не вполне удовлетворительно, особен­но второе. При продвижении с севера на юг мы попадаем в область, где промерзание отсутствует, и, таким образом, в этих областях как будто бы невозможно наличие почвен­ных вод, тогда как на самом деле они там фактически существуют.

Почвенные воды отличаются сезонным характером (чрезвычайно резко зависят от гидрометеорологических фак­торов), резкими колебаниями их температуры (зимой они могут замерзать, а летом нагреваться до температуры свыше 50° С), обогащенностью микроорганизмами и органи­ческими веществами (гумус). Почвенный слой богат всякого рода бактериями, в том числе болезнетворными. Эти же бак­терии характерны и для почвенных вод. Поэтому почвенные воды непригодны для технического использования и питья, хотя в условиях избыточного увлажнения они пресные.

Следует заметить, что микроорганизмы далеко вглубь из почвенного слоя проникнуть не могут; обычно на глуби­не 5—10 м их уже не бывает. Почвенный слой с его микро- органическим населением является хорошим обеззаражива­ющим фильтром, в котором гибнут болезнетворные бакте­рии, попадающие в почву с нечистотами; почвенные цито­фаги уничтожают целый ряд заразных бактерий, такие как тифозные, холерные и др.

Иногда к почвенным водам относят скопления льда, наблюдаемые в пещерах, хотя это и неверно. Лед в пеще­рах, в отличие от вековой мерзлоты, может существовать в течение всего года в местностях с годовой температу­рой выше нуля, и даже в теплое лето, если зимой темпера­тура в этой местности опускается ниже нуля и пещеры представляют полости, направляющиеся в глубь земли. При этих условиях холодный воздух переохлаждает зимой стенки пещер, а благодаря уклону вглубь летом согревание этих пещер очень затруднительно. Попадающие в пещеры внешние воды замерзают там и в зависимости от размеров и глубины пещер могут продержаться очень долго. Пеще­ры, направляющиеся в глубь материка горизонтальными ходами, или ходами, поднимающимися кверху, непригодны для накопления в них льда. Как пример ледяных пещер в местностях с годовой температурой выше 0 , можно при­вести пещеры Крыма и окрестности г. Куйбышев.

Так как почвенные воды более всего интересуют агроно­мов и почвоведов, как один из важнейших факторов разви­тия растительного покрова, то по существу только в почвен­ной и агрономической литературе мы и встречаем более или менее полные сведения о жизни и характере этих вод. В некоторых случаях, когда почвенные воды имеют постоянный характер и вызывают заболачивание, они при­влекают внимание гидрогеологов, гидротехников и мелио­раторов.

Схема соотношений почвенных и грунтовых вод

В почвенной литературе можно нередко встретить тер­мин «почвенно-грунтовые воды». Этот термин употребляет­ся в случае слияния почвенных и грунтовых вод в единый водоносный горизонт. Подобное явление имеет место тогда, когда:

1. вследствие избыточного питания мощность гори­зонта почвенных вод нарастает, в результате последние заполняют пояс аэрации или мертвый горизонт и приходят в контакт с грунтовыми водами. Это наблюдается, напри­мер, в орошаемых районах в сезоны усиленных поливов или в областях близкого к поверхности земли залегания грунтовых вод в сезоны снеготаяния и избыточных атмо­сферных осадков. При этом наблюдается движение пресных поливных или атмосферных вод вглубь и соответственное опреснение грунтовых вод, если они были солоноватыми или солеными;
2. вследствие нарастания мощности грунто­вых вод, например, при подтоке из области питания, рас­положенной в стороне от места наблюдания, и приближе­ния зеркала грунтовых вод к поверхности земли. При этом свойства грунтовых вод передаются почвенным водам. Последние могут осолониться, если минерализация грунто­вых вод велика.

В орошаемых районах нередко наблюдается повышение уровня грунтовых вод, залегавших до орошения на значи­тельных глубинах. Если породы, содержащие грунтовые воды, очень мелкоземисты, то капиллярный подъем разви­вается в них на высоту 2 м и более. При неучете этого обстоятельства орошение полей ведет к более или менее быстрому подъему грунтовых вод в зависимости от того, как производится орошение. Рассчитать потребное количе­ство воды для орошения таким образом, чтобы вся полив­ная вода была израсходована на транспирацию растениями и на испарение из увлажненного слоя почвы, почти невоз­можно. Трудно заранее предугадать, какой будет ход климатических условий и влияние этих условий на естест­венное увлажнение и иссушение почвы. Поэтому для орошения полей вода подается с некоторым избытком, который и идет на питание грунтовых вод. Уровень послед­них постепенно, из года в год, нарастает, а его капил­лярная кайма постепенно приближается к почве. Если грунтовые воды солоноваты или соленые и если толща горной породы, лежащей под слоем в той или иной мере осолонена, то капиллярные струйки также осолоняются. Достигнув почвы, а иногда и поверхности земли, капил­лярные воды испаряются, а принесенные ими соли отла­гаются как в самой почве, так, иногда, и на ее поверхно­сти. Происходит так называемое вторичное засоление почвы.

При капиллярном перемещении к поверхности земли солоноватых или соленых вод наблюдается и некоторое изменение раствора грунтовых вод; в капиллярах хлори­стые соединения передвигаются быстрее, а углекислые медленнее, поэтому, в конечном итоге, состав воды в капил­лярах, приблизившейся к почве в результате подъема уров­ня грунтовых вод, подпитанного оросительными пресными водами, отличается от состава собственно грунтовых вод. Эти своеобразные последствия орошения почв в засушли­вых областях требуют внимательного изучения гидро­геологических условий в районах подлежащих орошению земель. Основная задача исследования — предотвращение возможности вредных последствий орошения. Вопросами этого порядка занимается мелиоративная гидрогеология.

Следует различать вторичное засоление, наблюдающее­ся в результате подъема грунтовых вод при орошении, от природного засоления почв (осоление почв, образование солонцов, солончаков и пр.) вне зависимости от искус­ственного орошения. В некоторых областях, например на равнинах, прилегающих к Аральскому и Каспийскому морям, существуют подземные воды, образующие напор­ные водоносные горизонты. Водоупорные кровли этих водо­носных горизонтов недостаточно плотны и напорная вода, хотя и очень медленно, все же просачивается сквозь водо­упорные кровли и питает грунтовые воды. В данном случае наблюдается питание грунтовых вод не только за счет атмосферных осадков, но и за счет напорных вод глубоких водоносных горизонтов.

Грунтовые воды, поднимаясь по капиллярам до по­верхности земли, постепенно отдают растворенные в них вещества почве. В результате этого «векового» процесса происходит первичное засоление почв. В возникающих подобным образом солончаках можно наблюдать самые разнообразные минеральные образования — сульфатные, хлоридные, содовые и т. п. Наличие таких солончаков может служить поисковым признаком для обнаружения глубокозалегающих напорных (артезианских) водоносных горизонтов.

Вопросы осушения — это вопросы, касающиеся удале­ния избыточных почвенных и грунтовых вод. Изучение процессов заболачивания и режима вод заболоченных пространств представляет один из наиболее важных момен­тов при изучении почвенных вод, вернее комплекса почвен­но-грунтовых вод в районах избыточного увлажнения.

В почвенной литературе встречаются указания на суще­ствование «внутрипочвенного стока». Считают, что на поло­гих склонах дождевая и талая вода, насыщая почву, не просачивается вглубь, а стекает по внутрипочвенным слоям вдоль поверхности склона в сторону речной долины. Для подтверждения этой мысли приводятся данные опытных исследований. Анализ этих данных, произведенный Б. И. Куделиным, показал их несостоятельность. Сама идея внутрипочвенного стока противоречит законам гидродинамики, по которым капельно­жидкая вода, подчиняясь силе тяжести, просачивается вглубь до водоупорного пласта, по поверхности которого и могла бы стечь в сторону уклона этой поверхности.

Если в почве наблюдаются менее водопроницаемые прослои, например иллювиальный горизонт, то в моменты усиленного питания (снеготаяние и пр.) на этом горизонте может скопиться гравитационная (капильно-жидкая) вода как временный водоносный горизонт типа «верховодки». При наличии избыточного увлажнения и равнинном релье­фе здесь образуется болото.

Различают два основных типа болот — водораздельные и долинные.

Водораздельные болота возникают на более или менее равнинных междуречных пространствах, сложенных трудно-проницаемыми породами, и питаются за счет атмосферных осадков в областях избыточного и неустойчивого увлажне­ния. Так как здесь наблюдается постоянное вмывание растворимых солей в более глубокие горизонты, а питаю­щая болота вода почти совершенно лишена минеральных примесей, то в этих болотах развивается растительность с малозольным скелетом; образующиеся в таких болотах торфяники также малозольны и значительно калорийны. Это преимущественно моховые (например, сфагновые) болота.

Долинные болота залегают в пределах речных долин или вдоль водоемов (озер, прудов и пр.), питаются либо за счет более или менее минерализованных вод водоемов, либо за счет выклинивающихся подземных вод, которые также обычно значительно минерализованы; развивающие­ся здесь торфяники обладают значительной зольностью.

Заболачивание иногда наблюдается в области развития песчаных пространств, хотя, казалось бы, здесь вся избы­точная часть воды могла бы свободно фильтроваться вглубь. В результате передвижения почвенных растворов из верх­ней части почвы вглубь выносятся гумусовые соединения; встречая ниже (на глубине 1—2 м) полуторные окислы железа и алюминия, они образуют с ними нерастворимые железисто-гумусовые соли. Последние отлагаются вокруг песчинок, цементируют их, образуя вначале ортзанды, которые в дальнейшем сливаются в сплошные водоупор­ные плиты — ортштейны. Ортштейны не дают возможности напитывающей пески воде проникать далее вглубь, вслед­ствие чего и происходит заболачивание. Только раздробив ортштейны, можно восстановить фильтрацию вглубь избы­точной воды и вызвать осушение местности.

Источник

ВОДА В ПОЧВЕ

Роль воды в почве определяется ее особым двойственным положением в природе: с одной стороны, вода — это особая физико-химическая весьма активная система, обеспечивающая многие физические и химические процессы в природе, с другой — это мощная транспортная геохимическая система, обеспечивающая перемещение веществ в пространстве.

Воде принадлежит главенствующая роль в почвообразовании: процессы выветривания и новообразования минералов, гумусообразование и химические реакции совершаются только в водной среде; формирование генетических горизонтов почвенного профиля, динамика протекающих в почве процессов также связаны с водой.

Вода в почве выступает и как терморегулирующий фактор, определяя в значительной степени тепловой баланс почвы и ее температурный режим.

Исключительно велика ее роль в плодородии почвы, в обеспечении условий жизни растений, поскольку почва является главным, а во многих случаях и единственным источником воды для произрастающих на ней растений.

КАТЕГОРИИ (ФОРМЫ) И СОСТОЯНИЯ ПОЧВЕННОЙ ВОДЫ

Твердая вода — лед. Твердая вода в почве — это лед, являющийся потенциальным источником жидкой и парообразной воды, в которую он переходит в результате таяния и испарения.

Химически связанная вода (включает конституционную и кристаллизационную). Первая из них представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, марганца; органические и органоминеральные соединения; глинистые минералы); вторая — целыми водными молекулами кристаллогидратов, преимущественно солей (полугидрат— CaSО₄•1/2 H₂O, гипс — CaSО₄•2H₂О, мирабилит — Na₂SО₄•10H₂O). Конституционную и кристаллизационную воду иногда объединяют общим понятием гидратной или кристаллогидратной воды. Эта вода входит в состав твердой фазы почвы и не является самостоятельным физическим телом, не передвигается и не обладает свойствами растворителя.

Парообразная вода. Эта вода содержится в почвенном воздухе порового пространства в форме водяного пара. Парообразная вода в почве передвигается в ее поровом пространстве от участков с высокой упругостью водяного пара к участкам с более низкой упругостью (активное движение), а также вместе с током воздуха (пассивное движение).

Физически связанная, или сорбированная, вода. К этой категории относится вода, сорбированная на поверхности почвенных частиц, обладающих определенной поверхностной энергией за счет сил притяжения, имеющих различную природу. При соприкосновении почвенных частиц с молекулами воды последние притягиваются этими частицами, образуя вокруг них пленку. Удержание молекул воды происходит в данном случае силами сорбции.

В зависимости от прочности удержания воды сорбционными силами физически связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода. Прочносвязанная вода — это вода, поглощенная почвой из парообразного состояния. Свойство почвы сорбировать парообразную воду называют гигроскопичностью почв, а поглощенную таким образом воду — гигроскопической (Г). Таким образом, прочносвязанная вода — это вода гигроскопическая.

Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха, близкой к 100% (94—98%), называют максимальной гигроскопической водой (МГ). При влажности почвы, равной МГ, толщина пленки из молекул воды достигает 3—4 слоев

Рыхлосвязанная (пленочная) вода. Сорбционные силы поверхности почвенных частиц не насыщаются полностью даже в том случае, если влажность почвы достигнет МГ. Почва не может поглощать парообразную воду сверх МГ, но жидкую воду может сорбировать и в большем количестве. Вода, удерживаемая в почве сорбционными силами сверх МГ, — это вода рыхлосвязанная, или пленочная. Рыхлосвязанная вода также представлена пленкой, образовавшейся вокруг почвенной частицы, но пленкой полимолекулярной. Толщина ее может достигать нескольких десятков и даже сотен диаметров молекул воды.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода в отличие от прочносвязанной может передвигаться в жидкой форме от почвенных частиц с более толстыми водяными пленками к частицам, у которых она тоньше, т. е. передвижение этой воды возможно при наличии некоторого градиента влажности и происходит оно очень медленно, со скоростью несколько десятков сантиметров в год.

Свободная вода. Вода, которая содержится в почве сверх рыхлосвязанной, находится уже вне области действия сил притяжения со стороны почвенных частиц (сорбционных) и является свободной. Отличительным признаком этой категории воды является отсутствие ориентировки молекул воды около почвенных частиц. В почвах свободная вода присутствует в капиллярной и гравитационной формах.

Капиллярная вода. Она удерживается в почве в порах малого диаметра — капиллярах, под действием капиллярных или, как их еще называют, менисковых сил.

Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почв сверху (после дождя или полива). При этом под промоченным слоем всегда имеется сухой слой, т. е. гидростатическая связь увлажненного горизонта с постоянным или временным горизонтом подпочвенных вод отсутствует. Вода, находящаяся в промоченном слое, как бы «висит», не стекая, в почвенной толще над сухим слоем. Поэтому она и получила название подвешенной.

Капиллярно-подпертая вода образуется в почвах при подъеме воды снизу от горизонта грунтовых вод по капиллярам на некоторую высоту, т. е. это вода, которая содержится в слое почвы непосредственно над водоносным горизонтом и гидравлически с ним связана, подпираемая водами этого горизонта.

Капиллярно-посаженная вода (подперто-подвешенная) образуется в слоистой почвенно-грунтовой толще, в мелкозернистом слое при подстилании его слоем более крупнозернистым, над границей смены этих слоев. В слоистой толще из-за изменения размеров капилляров на поверхности раздела тонко- и грубодисперсных горизонтов возникают дополнительные нижние мениски, что способствует удержанию некоторого количества капиллярной воды, которая как бы «посажена» на эти мениски.

Гравитационная вода. Основным признаком свободной гравитационной воды является передвижение ее под действием силы тяжести, т. е. она находится вне влияния сорбционных и капиллярных сил почвы. Для нее характерны жидкое состояние, высокая растворяющая способность и возможность переносить в растворенном состоянии соли, коллоидные растворы, тонкие суспензии. Просачивающаяся гравитационная вода передвигается по порам и трещинам почвы сверху вниз. Появление ее связано с накоплением в почве воды, превышающей удерживающую силу менисков в капиллярах.

Вода водоносных горизонтов — это грунтовые, почвенно-грунтовые и почвенные воды (почвенная верховодка), насыщающие почвенно-грунтовую толщу до состояния, когда все поры и промежутки в почве заполнены водой (за исключением пор с защемленным воздухом).

Эти воды могут быть либо застойными, либо, при наличии разности гидравлических напоров, стекающими в направлении уклона водоупорного горизонта. Удерживаются они в почве и грунте вследствие малой водопроницаемости подстилающих грунтов.

ВОДОУДЕРЖИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ВЛАГОЕМКОСТЬ ПОЧВЫ

Водными (водно-физическими, гидрофизическими) свойствами называют совокупность свойств почвы, которые определяют поведение почвенной воды в ее толще.

Наиболее важными водными свойствами являются: водоудерживающая способность почвы, ее влагоемкость, водоподъемная способность, потенциал почвенной влаги, водопроницаемость.

Водоудерживающая способность — способность почвы удерживать содержащуюся в ней воду от стекания под влиянием силы тяжести. Количественной характеристикой водоудерживающей способности почвы является ее влагоемкость.

Влагоемкостьпочвы — способность поглощать и удерживать определенное количество воды. В зависимости от сил, удерживающих воду в почве, и условий ее удержания выделяют следующие виды влагоемкости, которые соответствуют определенным формам воды: максимальную адсорбционную, максимальную молекулярную, капиллярную, наименьшую или полевую и полную.

Максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ) — наибольшее количество воды, которое может быть удержано сорбционными силами на поверхности почвенных частиц. Соответствует прочносвязанной (адсорбированной) воде, содержащейся в почве.

Максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ) (по А. Ф. Лебедеву) — характеризует верхний предел содержания в почвах рыхлосвязанной (пленочной) воды, т. е. воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности почвенных частиц. ММВ определяется в основном гранулометрическим составом почв. В глинистых почвах она может достигать 25—30%, в песчаных — не превышает 5—7%. Увеличение запасов воды в почве сверх максимальной молекулярной влагоемкости сопровождается появлением подвижной капиллярной или даже гравитационной воды.

Капиллярная влагоемкость (KB) — наибольшее количество капиллярно-подпертой воды, которое может удерживаться в слое почвы, находящемся в пределах капиллярной каймы. Определяется она в основном скважностью почв и грунтов.

Наименьшая влагоемкость (НВ) — наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги, которое может удержать почва после стекания избытка влаги при глубоком залегании грунтовых вод. Термину наименьшая влагоемкость соответствуют термины полевая влагоемкость (ПВ), общая влагоемкость (ОВ) и предельная полевая влагоемкость (ППВ). Последний термин особенно широко используется в агрономической практике и в мелиорации; термин полевая влагоемкость широко распространен в иностранной литературе, особенно американской.

Наименьшая влагоемкость почв является очень важной гидрологической характеристикой почвы. С ней связано понятие о дефиците влаги в почве, по НВ рассчитываются поливные нормы.

Дефицит влаги в почве представляет собой величину, равную разности между наименьшей влагоемкостью и фактической влажностью почвы.

Полная влагоемкость (ПВ) — наибольшее количество влаги, которое может содержаться в почве при условии заполнения ею всех пор, за исключением пор с защемленным воздухом, которые составляют, как правило, не более 5—8% от общей порозности. Следовательно, ПВ почвы численно соответствует порозности (скважности) почвы.

Граничные значения влажности, при которых количественные изменения в подвижности воды переходят в качественные отличия, называют почвенно-гидрологическими константами.

Основными почвенно-гидрологическими константами являются максимальная гигроскопичность, влажность завядания, влажность разрыва капилляров, наименьшая влагоемкость, полная влагоемкость.

Почвенно-гидрологические константы широко используются в агрономической и мелиоративной практике, характеризуя запасы воды в почве и обеспеченность растений влагой.

Максимальная гигроскопичность (МГ) — характеризует предельно возможное количество парообразной воды, которое почва может поглотить из воздуха, почти насыщенного водяным паром. Характеристика этого вида воды была дана выше. Максимальная гигроскопичность почв является важной почвенно-гидрологической характеристикой, величиной, достаточно постоянной

Вода, находящаяся в почве в состоянии максимальной гигроскопичности, не доступна растениям. Это «мертвый запас влаги». По максимальной гигроскопичности приближенно рассчитывают коэффициент завядания растений — нижнюю границу физиологически доступной для растений воды.

Влажность устойчивого завядания, или влажность завядания (ВЗ) — влажность, при которой растения проявляют признаки устойчивого завядания, т е такого завядания, когда его признаки не исчезают даже после помещения растения в благоприятные условия. Численно ВЗ равна примерно 1,5 максимальной гигроскопичности. Эту величину называют также коэффициентом завядания.

Содержание воды в почве, соответствующее влажности завядания, является нижним пределом доступной для растений влаги.

Влажность разрыва капилляров (ВРК) — это влажность, при которой подвижность капиллярной воды в процессе снижения влажности резко уменьшается. Вода, однако, остается в мельчайших порах, в углах стыка частиц (мениски стыковой влаги). Эта влага неподвижна, но физиологически доступна корешкам растений.

ВРК называют также критической влажностью, так как при влажности ниже ВРК рост растений замедляется и их продуктивность снижается.

Почвенно-гидрологические константы, как и влагоемкость почв, выражаются в процентах от массы или объема почв

Водопроницаемость почв — способность почв и грунтов впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности.

В процессе поступления воды в почву и дальнейшего передвижения ее можно выделить 2 этапа:

1) поглощение воды почвой и прохождение ее от слоя к слою в ненасыщенной водой почве,

2) фильтрацию воды сквозь толщу насыщенной водой почвы

При этом первый этап представляет собой впитывание почвы и характеризуется коэффициентом впитывания

Второй этап — это собственно фильтрация Интенсивность прохождения воды в почвенно-грунтовой толще насыщенной водой, характеризуется коэффициентом фильтрации.

Водопроницаемость почв измеряется объемом воды, который проходит через единицу площади поперечного сечения в единицу времени Величина эта очень динамичная и сильно варьирует как по профилю почв, так и пространственно.

В ненасыщенных водой почвах для количественной характеристики водопроницаемости почв пользуются коэффициентом водопроводимости, или влагопроводности. Он определяется как коэффициент пропорциональности между скоростью потока воды и градиентом сил, вызывающих передвижение воды (давление, гидравлический напор и т. п.).

Коэффициент влагопроводности зависит от влажности почв: увеличивается с увеличением ее влажности и достигает максимума во влагонасыщенной почве. В этом случае его и называют коэффициентом фильтрации. Можно сказать, что коэффициент влагопроводности аналогичен коэффициенту фильтрации, но применяется он для ненасыщенных водой почв.

ВОДОПОДЪЕМНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

Водоподъемная способность почв — свойство почвы вызывать восходящее передвижение содержащейся в ней воды за счет капиллярных сил.

Высота подъема воды в почвах и скорость ее передвижения определяются в основном гранулометрическим и структурным составом почв, их порозностью. Чем почвы тяжелее и менее структурны, тем больше потенциальная высота подъема воды, а скорость подъема ее меньше.

ДОСТУПНОСТЬ ПОЧВЕННОЙ ВОДЫ ДЛЯ РАСТЕНИЙ

По отношению к доступности растениям почвенная вода может быть подразделена на следующие категории (по А. А. Роде).

1. Недоступная для растений. Это вся прочносвязанная вода, составляющая в почве так называемый мертвый запас воды.

2. Весьма труднодоступная для растений. Эта категория представлена в основном рыхлосвязанной (пленочной) водой.

3. Труднодоступная вода лежит в пределах между влажностью завядания и влажностью разрыва капилляров.

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. Продуктивность растений с переходом влажности от влажности разрыва капилляров (ВРК) и приближении ее к наименьшей влагоемкостью (НВ) резко возрастает. Разность между наименьшей влагоемкостью и влажностью завядания — это диапазон физиологически активной воды в почве.

5. Легкодоступная, переходящая в избыточную вода отвечает диапазону влажности от наименьшей влагоемкости до полной влагоемкости. Заполнение водой большей части пор затрудняет поступление в почву воздуха и может быть причиной затрудненного дыхания и изменения окислительно-восстановительных условий в сторону преимущественного развития восстановительных процессов и создания в почве анаэробной обстановки. Поэтому воду, содержащуюся в почве (за исключением песчаных почв) сверх значения наименьшей влагоемкости, следует считать избыточной.

Почвенный растворможно определить как жидкую фазу почв, включающую почвенную воду, содержащую растворенные соли органоминеральные и органические соединения, газы и тончайшие коллоидные золи.

Наиболее существенным источником почвенных растворов являются атмосферные осадки.

Грунтовые воды также могут участвовать в их формировании.

В зависимости от типа водного режима почвы участие грунтовых вод может быть систематическим (выпотной или застойный водный режим) и периодическим (периодически выпотной водный режим).

При орошении дополнительным резервом влаги для почвенных растворов становятся поливные воды.

Почвенный раствор включает все формы капиллярной, рыхло- и относительно прочносвязанной воды почвы.

Почвенные растворы служат непосредственным источником питания растений. Поэтому человек своими разнообразными воздействиями на почву в процессе сельскохозяйственного производства по существу всегда стремился и стремится регулировать тем или иным способом состав почвенного раствора, сделать его состав оптимальным для получения наиболее высокой продуктивности агроценозов.

При полевых исследованиях следует различать пять степеней влажности почв:

1) сухая почва пылит, присутствие влаги в ней на ощупь не ощущается, не холодит руку; влажность почвы близка к гигроскопической (влажность в воздушно-сухом состоянии);

2) влажноватая почва холодит руку, не пылит, при подсыхании немного светлеет;

3) влажная почва — на ощупь явно ощущается влага; почва увлажняет фильтровальную бумагу, при подсыхании значительно светлеет и сохраняет форму, приданную почве при сжатии рукой;

4) сырая почва при сжимании в руке превращается в тестообразную массу, а вода смачивает руку, но не сочится между пальцами;

5) мокрая почва — при сжимании в руке из почвы выделяется вода, которая сочится между пальцами; почвенная масса обнаруживает текучесть.

Почва — пористая система, в которой практически всегда в том или ином количестве присутствует воздух, состоящий из смеси газов, заполняющих свободное от воды норовое пространство почвы.

Воздушная фаза — важная и наиболее мобильная составная часть почв, изменчивость которой отражает биологические и биохимические ритмы почвообразования. Количество и состав почвенного воздуха оказывают существенное влияние на развитие и функционирование растений и микроорганизмов, на растворимость и миграцию химических соединений в почвенном профиле, на интенсивность и направленность почвенных процессов.

ФОРМЫ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА

Газы и летучие органические соединения находятся в почве в нескольких физических состояниях: собственно почвенный воздух — свободный и защемленный, адсорбированные и растворенные газы.

Свободный почвенный воздух — это смесь газов и летучих органических соединений, свободно перемещающихся по системам почвенных пор и сообщающихся с воздухом атмосферы.

Свободный почвенный воздух обеспечивает аэрацию почв и газообмен между почвой и атмосферой.

Защемленный почвенный воздух — воздух, находящийся в порах, со всех сторон изолированных водными пробками. Чем более тонкодисперсна почвенная масса и компактней ее упаковка, тем большее количество защемленного воздуха она может иметь.

Защемленный воздух неподвижен, практически не участвует в газообмене между почвой и атмосферой, существенно препятствует фильтрации воды в почве, может вызывать разрушение почвенной структуры при колебаниях температуры, атмосферного давления, влажности.

Адсорбированный почвенный воздух — газы и летучие органические соединения, адсорбированные почвенными частицами на их поверхности. Чем более дисперсна почва, тем больше содержит она адсорбированных газов при данной температуре.

Все четыре почвенные фазы — твердая, жидкая, газообразная и живая — тесно связаны между собой и находятся в сложном взаимодействии. Процессы сорбции — десорбции, растворения — дегазации в условиях изменяющихся концентраций газов, температур, давлений, влажности протекают постоянно. Система находится в состоянии подвижного равновесия, определяемого изменчивостью термодинамических условий и биологической активности.

Благодаря этим явлениям почвенный воздух, раствор и поглощающий комплекс почвы образуют взаимосвязанную систему, создают свойственную почвам буферность.

ВОЗДУШНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ

Совокупность ряда физических свойств почв, определяющих состояние и поведение почвенного воздуха в профиле, называется воздушно-физическими свойствами почв.

Наиболее важными из них являются воздухоемкость, воздухосодержание, воздухопроницаемость, аэрация.

Общей воздухоемкостью почв называют максимально возможное количество воздуха, выраженное в процентах по объему, которое содержится в воздушно-сухой почве ненарушенного строения при нормальных условиях.

Воздухоемкость почв зависит от их гранулометрического состава, сложения, степени оструктуренности. По характеру влияния на состояние почвенного воздуха следует различать капиллярную и некапиллярную воздухоемкость.

Почвенный воздух, размещенный в капиллярных порах малого диаметра, характеризует капиллярную воздухоемкость почв. Высокий процент капиллярной воздухоемкости указывает на малую подвижность почвенного воздуха, затрудненную транспортировку газов в пределах почвенного профиля, высокое содержание защемленного и сорбированного воздуха.

Существенное значение для обеспечения нормальной аэрации почв имеет некапиллярная воздухоемкость, или порозность аэрации, т. е. воздухоемкость межагрегатных пор, трещин и камер. Она включает крупные поры, межструктурные полости, ходы корней и червей в почвенной толще и связана в основном со свободным почвенным воздухом. Некапиллярная воздухоемкость определяет количество воздуха, существующего в почвах при их капиллярном насыщении влагой.Наибольших значений (25—30%) некапиллярная воздухоемкость достигает в хорошо оструктуренных, слабоуплотненных почвах.

Количество воздуха, содержащегося в почве при определенном уровне естественного увлажнения, называют воздухосодержанием.

Вода и воздух в почвах антагонисты. Поэтому существует четкая отрицательная корреляция между влаго- и воздухосодержанием.

Воздухосодержание колеблется в различных почвах и в различные сезоны от 0 (на переувлажненных или затапливаемых территориях) до 80—90% (на переосушенных торфяниках). Во всех типах почв воздухосодержание имеет четко выраженную сезонную динамику.

Для расчетов воздухозапасов, так же как и влагозапасов в почве, практикуют расчет воздухосодержания в м3/га.

Воздухопроницаемостью (газопроницаемостью) называют способность почвы пропускать через себя воздух. Воздухопроницаемость определяет скорость газообмена между почвой и атмосферой.

Она зависит от гранулометрического состава почвы и ее оструктуренности, от объема и строения (конфигурации) порового пространства.

Воздухопроницаемость определяется главным образом некапиллярной порозностью. Особое внимание при исследовании воздухопроницаемости следует обращать на состояние поверхности почвы, ее разрыхленность, наличие корок, трещин. Воздухопроницаемость в естественных условиях изменяется в широких пределах от 0 до 1 л/с и выше.

Обмен газами между почвенным воздухом и атмосферой называется воздухообменом (газообменом) почвы.

Основным механизмом массопереноса газов в почве, а также газообмена между почвой и атмосферой является диффузия — перемещение газов под действием градиента концентраций. Остальные факторы тем или иным путем связаны с ней, либо изменяя градиенты концентраций газов, либо изменяя свойства среды, через которую идет диффузия. Конвективный (под действием температурных градиентов), гравитационный (под действием силы тяжести) газопереносы, а также перенос газов при изменениях атмосферного давления имеют подчиненное значение.

СОСТАВ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА

Современный состав земной атмосферы, по мнению В. И. Вернадского, имеет биогенную природу, причем огромную роль в формировании атмосферы играет газообмен между ее приземным слоем и почвой. Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, основную массу которой создают три — азот, кислород, аргон; остальные газы присутствуют в незначительных количествах.

Попадая в почву, атмосферный воздух претерпевает значительные изменения. Например, парциальное давление диоксида углерода (СО2) увеличивается в десятки, сотни и более раз и становится более динамичным, чем в атмосферном воздухе

Изменение состава почвенного воздуха происходит главным образом вследствие процессов жизнедеятельности микроорганизмов, дыхания корней растений и почвенной фауны, а также в результате окисления органического вещества почв. Трансформация атмосферного воздуха в почве тем интенсивнее, чем выше ее энергетический потенциал, биологическая активность, а также чем более затруднительно удаление газов за пределы почвенного профиля.

Макрогазы почвенного воздуха. К ним относятся азот, кислород, диоксид углерода.

Азот. Прямых определений содержания молекулярного азота в почвенном воздухе недостаточно для того, чтобы судить о характере его поведения в почвенном профиле. Это связано с тем, что методы его определения сложны и точность их низка. Судя по определяемым концентрациям O2 и СO2, содержание азота в почвенном воздухе не на много отличается от атмосферного: и в почве азот является значительно преобладающим газом.

Кислород. Огромная роль кислорода в биосфере в целом и в почвенном воздухе в частности общеизвестна. Достаточное содержание кислорода обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхания корней растений и почвенных животных, при этом в почве преобладают аэробные процессы окисления. Дефицит кислорода угнетает развитие корневых волосков, вызывает массовую гибель всходов растений, провоцирует развитие болезнетворных микроорганизмов, вызывающих корневую гниль.

Диоксид углерода (СО2). Существует мнение, что диоксид углерода атмосферы на 90% имеет почвенное происхождение. Процессы дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы СО2.

Существует высокоинформативный показатель биологической активности почв, так называемое «дыхание почв», которое характеризуется скоростью выделения СО2 за единицу времени с единицы поверхности. Интенсивность «дыхания почв» колеблется от 0,01 до 1,5 г/(м2•ч) и зависит не только от почвенных и погодных условий, но и от физиологических особенностей растительных и микробиологических ассоциаций, фенофазы, густоты растительного покрова.

«Почвенное дыхание» характеризует биологическую активность экосистемы в каждый конкретный период времени, и резкие отклонения от стандартных параметров дыхания могут дать экологическую оценку процессам, вызывающим эти отклонения.

Микрогазы. В научной литературе существуют немногочисленные сведения о содержании в почвенном воздухе таких компонентов, как N2О, NО2, СО, предельные и непредельные углеводороды (этилен, ацетилен, метан), водород, сероводород, аммиак, меркаптаны, терпены, фосфин, спирты, эфиры, пары органических и неорганических кислот.

Происхождение микрогазов связывают с непосредственным метаболизмом микроорганизмов, с реакциями разложения и новообразования органических веществ в почве, с трансформацией в ней удобрений и гербицидов, с поступлением их в почву с продуктами техногенного загрязнения атмосферы. Концентрации микрогазов зачастую не превышают 1•10 -9 —10 -12 %. Однако этого может быть вполне достаточно для ингибирующего действия на почвенные микроорганизмы и для снижения биологической активности почв.

ДИНАМИКА ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА

Динамика почвенного воздуха определяется совокупностью всех явлений поступления, передвижения и трансформации газов в пределах почвенного профиля, а также взаимодействием газовой фазы с твердой, жидкой и живой фазами почвы.

Суточная динамика определяется суточным ходом атмосферного давления, температур, освещенности, изменениями скорости фотосинтеза. Эти параметры контролируют интенсивность диффузии (Дs), дыхания корней (Rs), микробиологической активности (Ms), интенсивность сорбции и десорбции (Gl,s), растворения и дегазации (Sl).

Суточные колебания состава почвенного воздуха затрагивают, как правило, лишь верхнюю полуметровую толщу почвы. Амплитуда этих изменений для кислорода и диоксида углерода не превышает 0,1 — 0,3%. Наиболее существенно в течение суток изменяется интенсивность почвенного дыхания.

Сезонная (годовая) динамика определяется годовым ходом атмосферного давления, температур и осадков и тесно связанными с ними вегетационными ритмами развития растительности и микробиологической деятельности. Годовой воздушный режим включает в себя динамику воздухозапасов, воздухопроницаемости, состава почвенного воздуха, растворения и сорбции газов, почвенного дыхания.

Динамика воздухозапасов (воздухосодержания) тесно связана обратной корреляционной связью с динамикой влажности почв, и можно считать, что она является функцией распределения осадков. Динамика воздухопроницаемости определяется также изменениями состояния поверхности почв от пахоты до уборки и следующей пахоты

Сезонная динамика составапочвенного воздуха отражает биологические ритмы.

Концентрация диоксида углерода имеет в верхней толще четко выраженный максимум в период наивысшей биологической активности. В это время происходит насыщение почвенной толщи углекислотой. По мере затухания биологической деятельности происходит отток С02 за пределы почвенного профиля.

Концентрации кислорода имеют обратную зависимость.

Этим же закономерностям подчинена и сезонная динамика дыхания почв.

Поливы, резко изменяя термодинамические условия почвы, вызывают существенные изменения воздухосодержания и состава воздуха, а также интенсивности дыхания почв. Характер и амплитуда изменений тесно связаны с нормой поливов.

Источник