Что такое водно физические свойства почв

Под действием гравитационных сил свободная влага, находящаяся в крупных порах, может передвигаться из верхних горизонтов в нижние и уходить за пределы почвенного профиля.

Для оценки совокупного действия сил, под влиянием которых вода находится в почве, введено понятие «потенциал почвенной влаги». Он характеризует энергию, с которой почва удерживает воду.

Если почва полностью насыщена водой и не содержит солей, то потенциал ее влаги равен нулю. С уменьшением влажности значение данного показателя возрастает и почва приобретает способность поглощать чистую воду. Такая способность почвы называется ее сосущей силой.

Величина этой силы у сухих почв может достигать 10 тыс. атм.

Вода в почве подвергается воздействию различных сил и характеризуется различной подвижностью и соответственно неодинаковыми свойствами и доступностью растениям, поэтому ее принято делить на категории и формы.

Выделяют следующие категории почвенной влаги.

Кристаллизационная вода. Эта вода входит в состав кристаллических решеток минералов и характеризуется полной неподвижностью и недоступностью для растений.

Связанная вода. Она удерживается в почве за счет сорбции парообразной и жидкой влаги на поверхности ее твердой фазы.

Подразделяется на две формы: прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода удерживается на поверхности почвенных частиц и образует вокруг них тонкую пленку, состоящую из двух-трех слоев молекул воды. Эта влага называется гигроскопической. Являясь чрезвычайно прочно связанной с твердой фазой почвы, она неподвижна, совершенно недоступна растениям, не растворяет растворимые в свободной воде вещества, обладает более высокой плотностью и более низкой, чем свободная влага, температурой замерзания.

Рыхлосвязанная вода образуется при соприкосновении почвенных частиц с водой, находящейся в жидком состоянии. Она представляет собой дополнительную водную пленку, расположенную вокруг прочносвязанной влаги.

Толщина пленки достигает нескольких десятков молекул воды, которые могут передвигаться под действием сорбционных сил от одних почвенных частиц к другим.

Свободная влага. Свободной влагой называется влага, которая находится в жидком состоянии и передвигается в почве под действием капиллярных и гравитационных сил. В зависимости от интенсивности проявления этих сил свободная влага также делится на две формы:

капиллярную и гравитационную.

Капиллярная влага находится в капиллярных порах и передвигается в них за счет капиллярных сил.

Подразделяется на капиллярно-подпертую и капиллярно-подвешенную.

Капиллярно-подпертая влага формируется при увлажнении почвы грунтовыми водами, которые снизу как бы подпирают влагу, находящуюся над ними в капиллярных порах. При этом слой почвы, заполненный капиллярной влагой и расположенный непосредственно над грунтовыми водами, называется капиллярной каймой.

Капиллярно-подвешенная влага создается из атмосферных осадков или при поливе почвы. Существует несколько ее разновидностей, среди которых наибольший интерес представляют стыковая, внутриагрегатная и сорбционно-замкнутая влага.

Стыковая капиллярно-подвешенная влага расположена в виде отдельных скоплений вокруг точек соприкосновения почвенных частиц. Она удерживается в почве с помощью капиллярных сил и характерна, как правило, для песчаных почв.

Внутриагрегатная капиллярно-подвешенная влага удерживается капиллярными силами в капиллярных порах, расположенных внутри почвенных комков.

Сорбционно-замкнутая влага расположена в некапиллярных порах, изолированных перемычками связанной воды. Эта разновидность капиллярно-подвешенной влаги удерживается в. почве с помощью сорбционных сил.

Капиллярно-подвешенная влага доступна для растений и сохраняется в почве длительное время. Ее количество во многом зависит от гранулометрического состава почвы. Чем тяжелее почва, тем больше капиллярно-подвешенной влаги может накапливаться в ней.

Источник

Что такое водно физические свойства почв

Агрофизика &#150 наука о физических основах формирования урожая, изучающая физические, физико-химические и биологические процессы в системе “ почва-растение-деятельный слой атмосферы”, основные закономерности продукционного процесса, разрабатывающие научные основы, методы, технические, математические средства и агроприемы рационального использования природных ресурсов, повышения эффективности и устойчивости агроэкосистем, земледелия и растениеводства в полевых и регулируемых условиях.

Почва, ее физические свойства &#150 это одно из центральных понятий продукционного процесса. Почва обеспечивает растения питательными веществами и водой, она преобразует солнечную радиацию в тепло, хранит это тепло, являясь теплым “одеялом” для семян растений, она впитывает осадки, сохраняет воду, избавляясь от ее избытков и предоставляя воздуху свободно циркулировать в поровом пространстве. Почва обладает свойствами аккумулировать и выделять, проводить и трансформировать вещества и энергию.

Структура почвы

В почвах механические элементы находятся в раздельно-частичном состоянии или соединяются под действием разнообразных сил в комки разной формы и размера, которые называют почвенными агрегатами.

Почвенный агрегат (структурная отдельность) &#150 представляет собой определенной количество механических элементов, объединенных в единое целое в результате слипания и склеивания под влиянием абиотических и биотических факторов. Совокупность агрегатов различного размера, формы и качественного состава называют почвенной структурой, а способность почвы распадаться на агрегаты при механическом воздействии &#150 структурностью.

Милановский Е.Ю. и Шеин Е.В. подмечают, что если из комочка чернозема сделать тонкий срез и рассмотреть его в микроскоп, то можно увидеть соединенные друг с другом частички с просвечивающей между ними пустотой &#150 поровым пространством. В нем как раз и сохраняются вода и питательные вещества, живет и функционирует почвенная биота. Крупные отдельные частицы &#150 это кусочки минералов и горных пород (песчинки, пылинки и др.). Они когда-то составляли геологическую породу, на которой и образовалась почва с характерной структурой. Теперь эти минеральные частицы соединены между собой прочной, но пластичной связью, которая не рвется даже при проникновении воды. В то же время при насыщении агрегата водой возникают очень большие силы, стремящиеся отодвинуть частицы друг от друга. Физико-химический характер этих сил можно пояснить на схеме (рис. ). На поверхности минеральных частиц, расположенных рядом и омывающихся водой, образуется некоторый, как правило, отрицательный электрический заряд. К таким частицам обязательно подойдут из раствора положительно заряженные катионы. Они окружат их, формируя поверхностный слой. Но вот что интересно: в межчастичном пространстве количество катионов окажется значительно больше, чем в окружающей воде.

Рис. Срез агрегата чернозема обыкновенного (по: Качинский Н.А. Структура почвы. М., 1963).

1 — микроагрегаты; 2 — крупные минеральные частицы; 3 — органический цемент; 4 — видимые микропоры.

В настоящее время (Зубкова, Карпачевский), считают: структура почвы определяется как способ упаковки разных по минералогическому составу, размеру и химическим свойствам почвенных частиц.

По мнению этих авторов, склеивание механических элементов происходит под действием следующих условий:

Гумусовых веществ
Оксидов железа, кальция, алюминия
Коллоидных частиц
Корней растений (при дроблении более крупных)
Вертикальное и горизонтальное растрескивание почвенной массы
Водной среды

Кроме размера агрономическая ценность структуры характеризуется связностью (механическая прочность), водопрочность и пористостью агрегатов.

Под связностью понимают способность агрегатов не разрушаться при механическом воздействии. Связность возрастает с увеличением количества илистых и коллоидных частиц, участвующих в формировании агрегатов. Высокую механическую прочность имеют агрегаты глинистых и тяжелосуглинистых по гранулометрическому составу иллювиальных горизонтов. В сухом состоянии они разрушаются с большим трудом, однако в воде легко распадаются на механические элементы.

Агрономически ценная структура должна отличаться не только механической прочностью, но и водопрочностью.

Водопрочность &#150 это способность агрегатов длительное время противостоять размывающему действию воды. Она зависит от качества материала, склеивающего механические элементы.

Свойство почвы образовывать устойчивые агрегаты &#150 это свойство почвенной структуры, пожалуй, самое важное структурное и функциональное свойство почвы. Агрегат характеризуется тем, что связи внутри него, между отдельными частицами (в микроагрегате) или микроагрегатами (в макроагрегате) выражены сильнее, чем между агрегатами. Поэтому в почве и выделяются отдельные агрегаты, что свидетельствует о том, что почвенная структура представлена рассыпчатым, зерноподобным, агрегированным веществом, а не единой монолитной массой. Чем лучше выражена эта структура, чем устойчивее к воздействию воды и механических нагрузок почвенные агрегаты, тем лучше функционирует почва, тем выше и устойчивее ее продуктивность.

Хорошая структура определяет и хорошее проникновение влаги, за счет пониженной плотности повышается ее порозность, и почва способна вместить и удержать большое количество воды, питательных веществ, в ней лучше движутся газы, активнее газообмен.

Почва должна сохранять свою уникальную комковато-зернистую структуру после обильных осадков и последующего легко подсушивания, когда образуется не плотная непроницаемая для газов и воды корка, а вновь хорошо различимые почвенные комочки и агрегаты.

Во всех теориях структурообразования отсутствует главный действующий “герой” практически всех почвенных процессов &#150 вода. Без нее все события в формировании почвенной структуры кажутся разобщенными, не связанными друг с другом. В последнее время родилась идея, что основную роль в природном клее должно играть органическое вещество почвы, которое затрудняет быстрое поступление воды в межчастичное пространство, препятствует возникновению высоких расклинивающих давлений и разрыву агрегата. Чтобы разъяснить эту идею, попробуем поставить эксперимент.

Рис. Схема возникновения расклинивающего давления между отрицательно заряженными минеральными частицами. Стрелками указано направление движения воды в пространство с положительно заряженными сорбированными катионами.

Возьмем две стеклянные трубки. Внутреннюю поверхность одной из них смажем вазелином. Опустим концы трубок в воду и скоро увидим, что в чистой трубке вода поднялась на некоторую высоту, а в смазанной вазелином, напротив, опустилась ниже первоначального уровня. Причина этого эффекта связана с различными свойствами поверхности. По чистому стеклу вода хорошо растекается &#150 оно гидрофильно. Поверхность, отталкивающая воду (в нашем случае покрытая вазелином), гидрофобна.

А что, если нечто подобное происходит и в почвенных агрегатах? Но для этого необходимы следующие условия: гумусовые вещества, вырабатываемые микроорганизмами из растительных остатков, должны обладать гидрофобными свойствами и при этом прочно удерживаться на гидрофильной (аналогичной стеклу) поверхности минеральных частиц. Значит, почвенные органические молекулы должны иметь как гидрофильные, так и гидрофобные свойства, или, как говорят биохимики, быть амфифильными. Тогда в почвенной поре молекула органического вещества одной своей частью (гидрофильной) прочно удерживается на поверхности минеральной частицы, а другой (гидрофобной) &#150 ориентируется внутрь, в межчастичное пространство. Вода в такую пору поступает медленно. Это очень важно. Именно медленно, без закупоривания пор и разрыва агрегатов защемленным воздухом. При этом комочки увеличиваются в объеме, набухают. Почва как бы становится единой глинистой массой. Органические молекулы гумуса своими гидрофобными окончаниями держатся друг за друга, не позволяя молекулам воды разорвать гидрофобные связи. Чем больше гидрофобных окончаний, тем устойчивее агрегаты и тем сильнее они противостоят расклинивающему действию воды. Теперь эту гипотезу следует доказать экспериментально.

Рис. Возникновение устойчивой почвенной структуры благодаря амфифильным свойствам почвенного гумуса. Гидрофобные компоненты прочно связываются друг с другом, а гидрофильные — с минеральными частицами. Такой органо-минеральный комплекс устойчив и к механическим воздействиям, и к разрушающему влиянию воды

Еще в 1930-1950 годах В.Р. Вильямс, известный как теоретик и пропагандист травопольной системы земледелия обратил внимание, что (зернистая) структура почвы возникает в прикорневой зоне растений. В формировании почвенных комочков-агрегатов участвуют сами корни (своими корневыми выделениями) и живущие внутри комочков-агрегатов почвы микроорганизмы, которые вырабатывают специфическое вещество &#150 &#171свежий&#187 (по определению Вильямса) гумус. Причем снаружи комочков-агрегатов почвы живут аэробные микроорганизмы (развивающиеся при наличии достаточного количества кислорода), а внутри комочков почвы — анаэробные бактерии, развивающиеся при недостатке кислорода. Аэробные микроорганизмы при наличии кислорода разлагают органику на более простые соединения, а анаэробные микроорганизмы в условиях недостатка кислорода из поступающей полуразложившейся органики и корневых выделений растений синтезируют новое вещество &#150 гумус. Вот он то и обладает свойствами &#171клея&#187, связывающего частицы почвы в зерна (в комочки-агрегатики), образуя (зернистую) структуру почвы. Из этого и родилась знаменитая травопольная система, предполагающая засевание полей травой на несколько сезонов для восстановления плодородия и структуры почвы.

Сохранение структурности почвы &#150 важнейшая задача при ее обработке. При обработке почвы следует учитывать следующие правила: