Вода составная чего почвы

Почвенная вода

Всякая почва содержит определенное количество воды, которую обычно называют почвенной, или жидкой фазой. Содержание влаги в процентах к массе сухой почвы характеризует ее влажность. Почвенная вода – условие жизни растений, жизнедеятельности почвенной фауны и микрофлоры. Особенно много воды расходуют растения – для создания 1 г сухого вещества требуется от 200 до 1500 г воды.

Наличие воды в почве обусловливает протекание биохимических, физико-химических и других процессов, передвижение веществ, водно-воздушный, тепловой режимы, физико-механические свойства.

Растения нормально развиваются только тогда, когда в почве есть постоянное и достаточное количество воды. Как недостаток, так и избыток влаги в почве ограничивают продуктивность растений или совсем вызывают их гибель.

Познание закономерностей поведения почвенной влаги, умение управлять водными свойствами почвы – важная предпосылка получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур.

Источники воды в почве следующие: атмосферные осадки, грунтовые воды, конденсация водяного пара из атмосферы. Обычно главным источником воды в почве являются атмосферные осадки.

Формы воды в почве. Вода, поступающая в почву, может передвигаться под воздействием силы тяжести (гравитации), может попадать под воздействие менисковых (капиллярных), осмотических, сорбционных сил или переходить в парообразное состояние. В результате этого в почве образуются различные категории (формы) воды, которые характеризуются неодинаковой подвижностью, различной силой связи с почвой, а значит, и разной доступностью для растений.

Вода в почве может находиться во всех трех состояниях – твердом (лед), жидком, парообразном. Различают следующие формы воды в почве: химически связанная, парообразная, сорбционно связанная (гигроскопическая, пленочная); свободная (капиллярная и гравитационная).

Химически связанная (кристаллизационная) вода входит в состав некоторых кристаллогидратов (CaSO4•2H2O; Na2SO4•10H2O). Характеризуется очень высокой прочностью связи и неподвижностью в почве, недоступна растениям.

Парообразная вода. Находится в почвенном воздухе в форме водяного пара. Она содержится в небольшом количестве (не более 0,001% от массы почвы) и свободно передвигается от мест с большей упругостью пара к местам с меньшей упругостью, от более теплых к менее нагретым слоям почвы. Может также передвигаться пассивно с потоком воздуха. Парообразная вода может адсорбироваться поверхностью твердых частичек. Становится доступной растениям только после конденсации паров воды.

Сорбционно связанная вода образуется путем сорбции парообразной и жидкой воды на поверхности твердых частичек почвы. Она подразделяется на гигроскопическую (или прочносвязанную) и пленочную (или рыхлосвязанную).

Гигроскопическая вода представляет собой сорбированные молекулы водяного пара, на поверхности почвенных частичек. Они образуют пленки, состоящие из 2–3 ориентированных слоев молекул воды. При высокой относительной влажности воздуха толщина этой пленки может быть равной 20–30 диаметрам молекул водяного пара.

Количество гигроскопической воды в почве зависит в основном от содержания органических и минеральных частичек, способных образовывать вокруг себя пленку. Тяжелые по механическому составу и хорошо гумусированные почвы содержат больше гигроскопической воды по сравнению с легкими, малогумусированными почвами. Эффект сорбции воды заметно проявляется в частицах размером 2–3 мкм и резко возрастает в частицах менее 1мкм.
Гигроскопическая вода очень прочно удерживается почвой (1–2•109 Па), совсем недоступна растениям. Удалить ее из воздушно-сухой почвы можно путем многочасового высушивания при 105°С.

Наибольшее количество гигроскопической воды почва может сорбировать из воздуха, полностью (96–98 %) насыщенного водяным паром. Эта величина называется максимальной гигроскопичностью почвы (МГ). Значение МГ в песчаных почвах колеблется в границах 0,1–1 %, в глинистых, гумусированных почвах достигает 10–15 %, а в органогенных почвах – 20–40 %.

Обычно растения начинают завядать раньше, чем почва высыхает до максимальной гигроскопичности. То количество влаги в почве, при которой в растениях появляются признаки устойчивого завядания, и они не исчезают при помещении растений в атмосферу, насыщенную водяным паром, называется влажностью устойчивого завядания (ВЗ).

ВЗ – это нижняя граница доступности воды растениям в почве. Ее определяют вегетационными методами, наблюдая, при какой влажности растения завядают, или расчетным образом: МГ 1,5.

Влажность завядания зависит от вида растения и свойств почвы. Чем больше в почве мелких частичек и органических веществ, тем выше в ней ВЗ. В среднем она составляет 1–3% в песках, 3–6% в супесях, 6–15% в суглинках и 50–60 % в торфяных почвах. Показатели ВЗ необходимы для расчета запасов в почве продуктивной влаги.

Пленочная (рыхлосеязанная) вода – является дополнительно сорбированной при соприкосновении твердых частичек почвы с жидкой водой. Сорбционные силы поверхности почвенных частичек не насыщаются полностью даже в том случае, когда влажность почвы достигает МГ, но может сорбировать жидкую воду. Рыхлосвязанная вода образует пленку из слабоориентированных молекул. Пленочная вода удерживается почвой менее прочно, чем гигроскопическая. Может передвигаться от частиц с более толстой к частицам с менее толстой пленкой. Растениям доступна только частично.

Свободная вода не связана силами притяжения с почвенными частицами. Она доступна растениям. Различают две формы свободной воды в почве – капиллярную и гравитационную.

Капиллярная вода удерживается в почвенных порах малого диаметра – капиллярах, под воздействием капиллярных или менисковых сил. В зависимости от характера увлажнения почвы различают капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую воду.

Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почвы сверху. При этом под увлажненным находится сухой слой почвы. Вода увлажненного слоя как бы «зависает» над сухим слоем почвы. Капиллярно подвешенная вода может передвигаться в направлении к испаряющей поверхности. Это движение прекращается, когда капилляры из-за недостатка воды разрываются. Влажность, при которой это происходит, называется влажностью разрыва капилляров (ВРК).

Капиллярно-подпертая вода образуется при подъеме ее снизу вверх по капиллярам от грунтовых вод, или верховодки. Зона капиллярного насыщения над грунтовой водой называется капиллярной каймой.

Агротехнические мероприятия, направленные на сохранение воды в почве, на рациональное использование ее растениями, связаны с образованием запасов именно капиллярной воды путем уменьшения ее расхода на физическое испарение. Например, ранневесеннее покровное боронование почвы разрушает ее корку, капилляры и этим существенно сокращает потерю воды почвой.

Свободная вода, которая не удерживается капиллярами и передвигается вниз под воздействием силы тяжести, называется гравитационной. Различают гравитационную воду, просачивающуюся сверху вниз сквозь почвенно-грунтовую толщу, и гравитационную воду, накапливающуюся над водонепроницаемым горизонтом в виде грунтовой воды. Гравитационная вода не только вызывает вынос или горизонтальную миграцию химических элементов, но и может обусловливать недостаток кислорода в почве.
Водные свойства почвы

Водные свойства. Основными водными свойствами почвы являются влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемная способность.

Влагоемкость – способность почвы поглощать и удерживать определенное количество воды. Полная влагоемкость соответствует состоянию полной насыщенности почвы водой, когда все поры ею заполнены. Ее величина зависит от пористости почвы и рассчитывается по формуле: W = P/V, где W – полная влагоемкость (в % от сухой почвы); Р – пористость (в % от объема почвы); V – плотность почвы (г/см3).

Понятию капиллярной влагоемкости соответствует состояние насыщенности водой всех капилляров почвы.

Полевая влагоемкость характеризуется наибольшим количеством подвешенной воды, которую может удерживать почва. В полевых условиях такое состояние увлажнения наблюдается после стока гравитационной воды при отсутствии подпора грунтовых вод.

Максимальная молекулярная влагоемкость – это количество воды, удерживаемое силами молекулярного притяжения. Наименьшая влагоемкость почвы определяется содержанием в ней только пленочной воды.

Величина всех видов влагоемкости зависит от механического состава, структуры почвы, ее гумифицированности и возрастает с переходом от легких почв к тяжелым, от бесструктурных к структурным, от почв с низким содержанием гумуса к почвам хорошо гумусированным.

Водопроницаемость – способность почв впитывать и пропускать сквозь себя воду, поступающую с поверхности. Водопроницаемость может определяться временем, за которое вода проходит определенное расстояние по порам почвы сверху вниз. При поступлении воды в почву сначала происходит поглощение и прохождение ее от одного слоя к другому, ненасыщенного водой. Потом, когда почвенные поры полностью наполнятся водой, начинается ее фильтрация сквозь толщу почвы.

Считается, что почва имеет хорошую водопроницаемость, если она пропускает за один час при напоре воды в 5 см и температуре 10°С от 70 до 100 мм воды. Чрезмерно высокая водопроницаемость обусловливает высокую фильтрацию воды за границы корнезаселенного слоя. И наоборот, чрезмерно низкая может привести к застаиванию воды на поверхности почвы, стоку ее по склону, смыву и размыву почвы. Песчаные и супесчаные почвы более проницаемые для воды, чем суглинистые и глинистые. Водопроницаемость структурных почв более высокая по сравнению с бесструктурными.

Водоподъемная способность – способность почвы вызывать восходящее перемещение воды капиллярными силами. Они наиболее сильно проявляются в порах диаметром 0,1–0,003 мм; более мелкие поры заполнены связанной водой. Поэтому водоподъемная способность возрастает от песчаных почв к суглинистым и снижается в глинистых. Водоподъемная возможность может определяться временем, за которое вода проходит определенное расстояние снизу вверх (это способность выпаривания воды) или высотой поднятия воды. Максимальная высота поднятия воды над уровнем грунтовых вод для песчаных вод – 0,5–0,7 м, для суглинистых – 3–6 м. В структурных почвах капиллярная вода менее подвижна.

Благодаря капиллярным процессам и водоподъемной способности почв грунтовые воды участвуют в дополнительном обеспечении растений водой, восстановительных процессах и др. Количество воды в почве и преобладающее направление движения ее в вегетационный период характеризует особенности водного режима. Он определяется водным балансом (приход + расход воды). Водный режим представляет собой совокупность явлений поступления влаги в почву, продвижения, расхода. Количественную его характеристику показывают в виде водного баланса. Приходная часть баланса состоит из атмосферных осадков (Ао), притока грунтовых вод (ГрП), конденсированной воды (К). Расход воды включает потерю воды при испарении (И), десукции (Д), различных видов стока – поверхностного (ПС), внутрипочвенного (ВПС), грунтового (ГрС).

В зависимости от баланса воды различают следующие типы водного режима: промывной, периодически промывной, непромывной, выпотной, водозастойный. Промывной тип водного режима проявляется в условиях ежегодного промачивания всей почвенной толщи до грунтовых вод. Уравнение водного баланса для этого типа имеет следующий вид:
АО > И+Д+ПС+ВПС.
Почвенная вода
[/center]

Промывной тип водного режима характерен для подзолистых и дерново-подзолистых почв.

Периодически промывной тип водного режима наблюдается на территориях, где средние многолетние показатели осадков и испарения примерно сбалансированы. Здесь в сухие годы происходит ограниченное промачивание почвы, а в мокрые – сквозное. Этот тип водного режима свойственен для почв лесостепей. Водообеспеченность почв здесь неустойчивая.

Непромывной тип водного режима встречается в почвах южных зон (сухие степи, черноземно-степная зона и др.). Вода осадков здесь распределяется только в верхних горизонтах и не достигает грунтовых вод. Уравнение водного баланса этого типа следующее:
АО = И+Д+ПС+ВПС.

Выпотной тип водного режима наблюдается в условиях жаркого засушливого климата при неглубоком залегании грунтовых вод. Количество воды, которое расходуется на испарение, десукцию, значительно превосходит количество воды атмосферных осадков: АО

В естественных условиях с водным режимом почв теснейшим образом коррелирует и характер растительного покрова, его видовой состав. Экология этой зависимости позволяет говорить о болотной растительности, растительности заболоченных и водораздельных участков.

Источник

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