Наименьшая влагоемкость (по П.С.Коссовичу)
Одним из основных водных свойств почвы является влагоемкость, под которой понимают количество воды, удерживаемые почвой. Она выражается в % от массы абсолютно сухой почвы или от ее объема.
Важнейшей характеристикой водного режима почв является ее наименьшая влагоемкость, под которой понимается наибольшее количество подвешенной влаги, которую почва способна удерживать после обильного увлажнения и стекания гравитационной воды. При наименьшей влагоемкости количество доступной влаги для растений достигает максимально возможной величины. Количество воды в почве, за вычетом той ее части, которая составляет так называемый мертвый запас, Э.Митчерлих назвал «физиологически доступной почвенной влагой».
Наименьшую влагоемкость определяют в полевых условиях при естественном сложении почвы методом заливаемых площадок. Суть метода заключается в том, что почву насыщают водой до тех пор, пока ею не будут заполнены все поры, а затем дают избытку влаги стечь под действием силы тяжести. Установившаяся равновесная влажность будет соответствовать НВ. Она характеризует водоудерживающую способность почвы. Для определения НВ выбирают площадку размером не менее 1 х 1 м, вокруг которой создают защитный бортик, обволакивают ее двойным кольцом уплотненных земельных валиков высотой 25-30 см или устанавливают деревянные или металлические рамки. Поверхность почвы внутри площадки выравнивают и покрывают крупным песком слоем 2 см для предохранения почвы от размыва. Рядом с площадкой по генетическим горизонтам или отдельным слоям берут образцы почвы для определения ее пористости, влажности и плотности. По этим данным определяют фактический запас воды в каждом из горизонтов (слоев) и пористость. Вычитая из общего объема пор объем, занятый водой, определяют количество воды, необходимое для заполнения всех пор в изучаемом слое [16].
Пример расчета. Площадь заливной площадки S = 1 х 1 = 1 м 2 . Установлено, что мощность пахотного слоя равна 20 см или 0,2 м, влажность почвы W — 20%; плотность d — 1,2 г/см 3 ; порозность Р — 54%.
а) объем пахотного слоя: V пах = hS = 0,2 х 1 = 0,2 м 3 = 200 л.
б) объем всех пор в исследуемом слое:
V пор = Vпах (Р/100) = 200 ( 54/100) = 108 л
в) объем пор, занятых водой при влажности, равной 20%
V вод = Vпах (W/100) S = 200 (20/100) · 1 = 40 л
г) Объем свободных от воды пор
V своб = Vпор — Vвод = 108 — 40 = 68 л.
Для заполнения всех пор в пахотном слое почвы в пределах заливной площадки потребуется 68 л воды.
Таким образом рассчитывают количество воды для заполнения почвенных пор до той глубины, на которую определяют НВ (обычно до 1-3 м).
Для большей гарантии полного промачивания количество воды увеличивают в 1,5 раза на боковое растекание.
Определив требуемое количество воды, приступают к заливке площадки. Струю воды из ведра или шланга направляют на какой-нибудь твердый предмет, чтобы избежать нарушения сложения почвы. Когда весь заданный объем воды впитается в почву, поверхность ее накрывают пленкой, чтобы исключить испарение.
Время для стекания избытка воды и установления равновесной влажности, соответствующей НВ, зависит от механического состава почвы. Для песчаных и супесчаных почв оно составляет 1 сутки, для суглинистых 2-3, для глинистых 3-7 суток. Точнее это время можно установить, наблюдая за влажностью почвы на участке в течение нескольких дней. Когда колебания влажности почвы во времени будут незначительными, не превышающими 1-2%, то это и будет означать достижение равновесной влажности, т.е. НВ.
В условиях лаборатории НВ для почв с нарушенным сложением можно определить методом насыщения почвенных образцов водой сверху по аналогии определения строения пахотного слоя почвы.
Ориентировочное представление о значениях НВ можно получить и по методу А.В.Николаева. Для этого произвольное количество почвы, пропущенное через сито с диаметром ячейки 1 мм, смачивают водой при тщательном перемешивании до образования текучей массы, затем часть ее (20-30 мл) выливают на гипсовую пластинку и выдерживают до тех пор, пока влажная поверхность почвы не станет матовой вследствие впитывания излишней воды пластинкой. После этого почву снимают с гипсовой пластинки и помещают в бюкс для определения влажности, которая с определенной условностью и будет соответствовать НВ.
Источник
Водные свойства почвы
Министерство образования и науки российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ
Методические указания
к выполнению практических работ
по дисциплине «Науки о Земле»
для студентов специальности 280201.65 «Охрана окружающей среды
и рациональное использование природных ресурсов»
Одобрено
1. ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ
Цель работы: ознакомиться с формами воды в почве и способами ее определения, понятиями водных свойств почвы: влагоемкостью, водопроницаемостью, водоподъемной способностью.
Вода является одним из факторов почвообразования, играя важнейшую роль в процессах гипергенеза. В результате растворения и передвижения с водой органических и минеральных соединений формируется почвенный профиль. Вода является необходимым условием развития растений и почвенных микроорганизмов. Передвижение влаги в почве обеспечивает как ее плодородие, так и деградационные процессы (например, водная эрозия).
Под действием сорбционных, осмотических, менисковых и гравитационных сил вода передвигается по профилю почвы и в материнской породе.
1. 1.Формы воды в почве
Влага в почве находится в связанной и свободной форме (рис. 1).
1.Связанная влага представлена химически и физически связанной, к ней же относится лед.
Химически связанная влага входит в состав молекул химических веществ.
Физически связанная влага за счет адсорбционных сил образует полимолекулярные пленки вокруг почвенных частиц и подразделяется на гигроскопическую (прочносвязанную) и пленочную (рыхлосвязанную).
Величина прочносвязанной влаги, т. е. максимальная гигровлага (МГ) является константой для каждого типа почвы.
Суммарное количество гигроскопической и пленочной влаги называется максимальной адсорбционной (молекулярной) влагоемкостью (ММВ) и тоже является константой.
2. Свободная влага подразделяется на капиллярную и гравитационную. К ней же относится парообразная влага, занимающая поровое пространство почвы, свободное от капельно-жидкой воды.
Капиллярная влага удерживается в почве под действием капиллярных сил и перемещается по всем направлениям. Различают капиллярно-подпертую влагу (капиллярная кайма), которая формируется над зеркалом грунтовых вод и капиллярно-подвешенную – формируется в почвенном профиле после увлажнения и стекания гравитационной влаги при глубоких грунтовых водах. Максимальное количество капиллярно-подвешенной влаги называется наименьшей влагоемкостью (НВ) и является константой.
Капиллярная влага является основным источником воды для растений.
Гравитационная влага передвигается под действием силы тяжести сверху вниз; над водоупором она заполняет все поровое пространство, формируя горизонт грунтовых вод. Величина ее называется полной влагоемкостью (ПВ).
Гравитационная вода передвигается в почве под действием силы тяжести. Она легко усваивается растениями в момент ее прохождения через корнеобитаемый слой почвы, но слишком быстротечна.
Грунтовая вода находится в водоносных горизонтах почвы и подстилающих грунтах. В случае слабой минерализации (меньше 1 г/л) она может служить источником питания растений.
К основным водным свойствам почвы относятся влажность, влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемная способность.
Влажность – общее содержание воды в почве в любой момент, выраженное в % к массе или единице объема абсолютно-сухой почвы.
Влажность почвы, отражая содержание ее в данное время, может колебаться от избыточной влаги до минимальной – гигроскопической.
Задание 1. Определить гигроскопическую влагу в почве.
Порядок проведения работы
Гигроскопической влагой (ГВ) называют адсорбированную поверхностью почвенных частиц парообразную влагу. Она удерживается почвой с огромной силой и может быть удалена только при нагревании до 100– 105 ºС в течение 5–6 ч, в глинистых почвах – до 8 ч.
При различных исследованиях почвы результаты анализов принято рассчитывать на абсолютно сухую почву, т. е. с учетом находящейся в ней гигровлаги.
Определяют гигровлагу в воздушно-сухой почве, предварительно растертой и просеянной через сито с отверстиями диаметром 1 мм (т. е. в мелкоземе).
Взвесить пустой сушильный стаканчик с точностью до 0,01 г.
Во взвешенный стаканчик насыпать около 15 г почвы и взвесить на тех же весах.
Почву в стаканчике с открытой крышкой просушить в термостате при t 100–105 ºС в течение 5–6 ч.
Стаканчик с закрытой крышкой охладить в эксикаторе и взвесить.
Содержание гигроскопической влаги рассчитать по формуле:
,
где ГВ – гигровлага, % от массы абсолютно сухой почвы;
РВ – масса воды в почве, г;
РП – масса абсолютно-сухой почвы, г.
Результаты определения гигровлаги оформить в виде таблицы.
Различные почвы содержат неодинаковое количество гигроскопической влаги: песчаные – 0,5–1,5%; суглинистые – 2,5–3,5; глинистые – 6–8; торфяные – 18–22 %. Чем больше содержание гумуса в почве, тем больше ее гигроскопичность.
Наибольшее количество воды, которое может почва поглотить из атмосферы, насыщенной парами воды, называется максимальной гигроскопической влажностью или максимальной гигроскопичностью (МГ). Величина МГ зависит от механического состава почвы, количества коллоидов, содержания в ней гумуса и является постоянной (константой) для каждой почвы.
Максимальная гигроскопичность составляет «мертвый запас» влаги в почве для растений.
Для определения МГ используют эксикатор с раствором сернокислого калия, что обеспечивает почти 100 %-ю относительную влажность воздуха. Насыщение почвы парами воды достигается через 3–4 дня. Максимальная гигроскопичность примерно в два раза больше содержания гигровлаги в воздушно-сухой почве. Поэтому в практике допускается определять МГ путем умножения показателя ГВ на коэффициент 2.
По величине максимальной гигроскопичности почвы вычисляется влажность устойчивого завядания растений (ВЗ).
При ВЗ вода недоступна для растений. Величина влажности завядания (ВЗ) для большинства почв равняется МГ, умноженной на коэффициент 1,5.
Влажность завядания растений или «мертвый запас» воды является важной константной характеристикой почвы, которая используется для расчета запаса продуктивной влаги в почве. В суглинистых почвах величина ВЗ составляет 10–12%.
1.2. Виды влагоемкости почвы
Влагоемкость почвы – свойство вмещать и удерживать определенное количество воды.
Задание 2. Определить максимальную молекулярную (адсорбционную) влагоемкость методом .
Максимальной молекулярной влагоемкостью (ММВ) называется наибольшее количество гигроскопической пленочной воды, удерживаемой частицами почвы за счет сил молекулярного притяжения.
Метод ее определения основан на удалении влаги сверх ММВ с помощью пресса.
Порядок проведения работы
1. Взять 10–15 г почвы, просеянной через сито d= 1мм (мелкозем), в фарфоровую чашку, смочить водой до полного насыщения и тщательно перемешать шпателем.
2. На лист фильтровальной бумаги, покрытой куском марли, положить металлическое кольцо с внутренним отверстием диаметром 4–5 см и равномерно намазать шпателем переувлажненную почву, заполнив отверстие кольца.
3. После снятия кольца на фильтровальной бумаге остается кружок почвы, равный толщине кольца. Этот кружок покрыть кусочком марли и переслоить сверху и снизу фильтровальной бумагой (в 20 листов).
4. Приготовленные таким образом кружочки почвы (5–6 штук) поместить между деревянными прокладками под пресс на 30 мин под давлением около 100 кг/см2. В результате в почве останется лишь молекулярная вода.
5. По окончании прессования кружок почвы быстро очистить от приставших волокон бумаги или марли и перенести во взвешенный стаканчик.
6. Стаканчик с почвой взвесить и просушить в термостате при температуре 100–105 ºС до постоянного веса.
7. Охлажденный после сушки стаканчик с почвой взвесить с точностью до 0,01 г.
8. ММВ вычислить по формуле:
ММВ = 
,
где А – масса стакана с сырой почвой, г;
В – масса стакана с абсолютно сухой почвой, г;
С – масса пустого стакана.
Величина ММВ имеет те же зависимости от свойств почвы, что и максимальная гигроскопическая влажность. Она является постоянной для каждой почвы и содержит в себе весьма труднодоступную влагу для растений. ММВ составляет ориентировочно 7–9 % от массы почвы.
Задание 3. Определить капиллярную влагоемкость почвы (КВ).
Капиллярная влагоемкость – максимально возможное содержание капиллярной воды в почве (без перехода ее в гравитационную). Она фактически определяет запасы так называемой продуктивной влаги и водные условия жизни растений. Ее величина зависит от механического и структурного составов почвы, содержания гумуса и состава солей.
Порядок проведения работы
1. Взвесить пустой цилиндр с сетчатым дном и вложенным в него кружочком фильтровальной бумаги с точностью до 0,1 г.
2. Наполнить цилиндр до половины объема воздушносухой почвой, уплотняя постукиванием о ладонь, и взвесить цилиндр с почвой.
3. Поставить цилиндр с почвой в ванночку с водой на фильтровальную бумагу так, чтобы вода была выше уровня дна цилиндра на 0,5 см.
4. После насыщения, когда поверхность почвы в цилиндре увлажнится, вынуть цилиндр из ванночки, промокнуть дно и взвесить.
5. Рассчитать капиллярную влагоемкость почвы по формуле:
КВ = 
,
где КВ – капиллярную влагоемкость, %;
С – масса цилиндра с почвой после насыщения, г;
В – масса цилиндра с воздушно-сухой почвой, г;
А – масса пустого цилиндра, г.
Капиллярная влагоемкость, определенная в полевых условиях для конкретной разновидности почв при глубоких грунтовых водах, называется наименьшей влагоемкостью (НВ). Наименьшая влагоемкость характеризует максимальную водоудерживающую способность почвы при промачивании ее сверху. Величина наименьшей влагоемкости зависит от целого ряда характеристик почвы, главным из которых является механический и структурный составы и содержание гумуса.
Наименьшая влагоемкость имеет важное значение в орошаемом земледелии. По ее величине рассчитывают сроки поливов, поливные и промывные нормы, определяют водоотдачу, продуктивную влагу и т. д.
При увлажнении до наименьшей влагоемкости в почве содержится максимальное количество доступной для растений влаги, т. к. 55–75 % пор почвы заполнены водой.
Содержание воды в почве не рекомендуется опускать ниже влажности разрыва капилляров (ВРК), когда воздушные прослойки начинают затруднять водоснабжение растений. В суглинистых почвах эта величина составляет примерно 70–75 % НВ. При этой величине влажности обычно назначают поливы.
Полная влагоемкость (ПВ) – это максимальное содержание воды в почве, равное объему всех пор, трещин и пустот. Она характеризует водовместимость почвы. Полную влагоемкость можно рассчитать по общей пористости почвы: ПВ = S, % от объема почвы и ПВ =
, % от массы абсолютно сухой почвы, где S – общая пористость, % объема; d – объемная масса почвы, г/см3.
Задание 4. Рассчитать влажность завядания (ВЗ) растений, продуктивную влагу в почве и полную влагоемкость (ПВ).
Данные водных свойств почв записать в табл. 1.
А пах. Дерново-подзолистая легкосуглинистая
А пах. Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый
1.3. Способы определения и выражения влажности почвы
Простым и наиболее точным способом определения влажности почвы является термостатно-весовой, которым пользовались при определении гигроскопической влаги. Для отбора почвенных образцов используют буры различной конструкции. Отбор образцов производят из слоя 0–5 и 5–10 см, далее до глубины 0,6 м через каждые 10 см, а глубже допускается через 20 см. Исходные данные и результаты взвешиваний и расчетов записывают в специальный журнал (табл. 2).
Влажная почва с тарой, г
Сухая почва с тарой, г
Масса сухой почвы, г
Термостатно-весовой метод определения влажности почвы сравнительно трудоемкий и занимает по времени примерно сутки. Это обусловило поиск и разработку других альтернативных методов.
Спиртовой метод определения влажности почвы отличается от термостатно-весового тем, что сушка образцов производится путем смачивания в спирте и выжигания.
По карбидно-гипсовому методу в свежепробуренные скважины опускают предварительно взвешенные карбидные или гипсовые блоки, которые быстро адсорбируют почвенную влагу. Чем влажнее почва, тем больше насыщаются блоки. Взвесив водонасыщенные блоки и произведя расчеты, определяют влажность почвы.
Тензиометрический способ заключается в том, что в почву помещают тонкопористый керамический датчик, способный в смоченном состоянии пропускать воду в том или ином направлении в зависимости от содержания воды в почве. Величина всасывающего давления регистрируется прибором и пересчитывается на влагозапасы в анализируемом слое почвы.
Электрический способ основан на зависимости электрического сопротивления почвы от ее влажности.
Нейтронный способ определения влажности почвы основан на взаимодействии излучения с ионами водорода воды. Чем влажнее почва, тем больше концентрация ионов водорода и тем сильнее взаимодействие, измеряемое прибором. Специальный щуп постепенно опускается в однажды пробуренную, армированную и многократно используемую скважину.
СВЧ-радиометрический метод предусматривает установку прибора на самолет, облет-зондирование полей и расшифровку данных. Усредненные результаты даются для слоя 0–50 см, но возможна тарировка для более глубоких горизонтов. Метод отличается высокой производительностью.
Расчетный метод позволяет на основании метеорологических данных и биоклиматических коэффициентов рассчитывать суммарное испарение с поля. Зная весенние влагозапасы и эвакотранспирацию, рассчитывают влажность почвы, влагозапасы, сроки и нормы поливов посевов.
Количество влаги в почве характеризуется двумя понятиями: влажностью почвы и запасом влаги в почве. Влажность почвы – это отношение массы влаги в некотором объеме почвы к массе абсолютно сухой почвы в процентах (массовая влажность). Под абсолютно сухой почвой понимается почва, высушенная до постоянного веса при температуре 105–100 ºС.
Влажность почвы также выражают в виде отношения объема влаги к объему почвы в долях объема или процентах (объемная влажность).
Запасы влаги обычно определяют в некотором слое почвы и выражают их в м3 влаги на 1 га или в мм слоя воды (1мм =10 м3/га).
Задание 5. Ознакомиться со следующими способами выражения величин влажности почвы.
1. Влажность в процентах по массе почвы (W – массовая влажность) определяется по формуле:
, или 
,
где а – масса влажной почвы;
b – масса абсолютно сухой почвы;
с – масса воды, удаленной высушиванием.
2. Влажность в процентах по объему почвы (е – объемная влажность) находится по формуле:
где d – объемная масса почвы.
3. Относительная влажность от влагоемкости почвы (ПВ, НВ, КВ и др.), выраженная в процентах:
,
где Z – влагоемкость почвы в массовых или объемных процентах.
В сельскохозяйственной практике необходимо знать не только общий запас влаги, но и запас продуктивной влаги в почве. Это можно сделать, если определить полевую влажность, наименьшую влагоемкость (НВ), влажность завядания и объемную массу почвы. По влажности на данный момент и НВ можно определить дефицит влаги в почве, рациональные нормы полива и промывные нормы.
Задание 6. Ознакомиться с определением запаса продуктивной влаги и дефицита влаги в почве и рассчитать их по горизонтам почвы, используя данные табл. 3.
Источник