2. Водний режим ґрунтів

Значення води в грунті. Роль води в грунті виключно велика. Вона є важливим чинником життя рослин, одним з умов грунтової родючості Для нормального зростання і розвитку рослин необхідний постійний водообмін, який складається з узгоджених один з іншим процесів надходження і віддачі води рослинам. Фотосинтез рослин відбувається при тісному контакті хлорофілоносних клітин з атмосферою з| обов'язковою участю світла і тепла. Насичуюча клітини вода безперервно випаровується у великих кількостях. Ці втрати води на випаровування (транспірацію) повинні постійно поповнюватися.

Вода в рослину поступає виключно через його кореневу систему. У ґрунтовій волозі розчинені мінеральні солі. З водою в рослини поступають і елементи живлення: азот, фосфор, калій, кальцій, сірка, мікроелементи. Тому управління водним режимом грунту є важливим і часто первинним прийомом підвищення грунтової родючості і, отже, врожайності сільськогосподарських культур.

Одночасно з водою в грунті знаходиться і повітря, що містить кисень для дихання кореневих систем і життєдіяльності аеробних мікроорганізмів. Причому тут також повинен бути постійний газообмін з повітрям атмосфери. Склад грунтового повітря дуже динамічний. Зміна складу повітря в грунті відбувається за рахунок постійного виділення вуглекислоти мікроорганізмами і кореневими системами вищих рослин і споживання кисню, необхідного для проходження окислювальних процесів. У грунтах нормальної вологості і аерації в грунтовому повітрі міститься 19...21 % кисню (у атмосфері 20,9 %). Проте при порушенні газообміну вміст кисню падає, а кількість вуглекислоти зростає. Зменшення вмісту кисню в грунтовому повітрі нижче 10...15 % пригнічує нормальний розвиток соняшнику, бавовнику і ін., причому в урожаї знижується вміст цукрів, крохмалю, зольних елементів, збільшується насиченість органічними кислотами (наприклад, у вівса). При зменшенні кисню до 6...9 % і нижче різко падає енергія проростання сільськогосподарських культур, порушуються процес синтезу протеїну і надходження зольних елементів в рослини з грунту.

Згубно діє на кореневі системи рослин концентрація вуглекислоти. Підвищення вмісту вуглекислоти і зменшення вмісту кисню в грунтовому повітрі відбувається при високій вологості грунту, тривалому застої води на поверхні грунту і близькому заляганні ґрунтових вод.

Форми зв'язку з твердою частиною грунту. Грунт, як природне тіло, стикається з іншими природними тілами: атмосферою, рослинними і тваринними організмами. Між ґрунтом і вказаними природними тілами існує обмін енергією і різними речовинами, в тому числі і водою. З цих причин вміст вологи в грунті змінюється, тобто в грунті створюється певний режим вологості. Але режим вологості визначається, у свою чергу, водним режимом грунту, під яким розуміють сукупність явищ – надходження води в грунт, її руху в грунті і витрати з грунту, а також зміни її фізичного стану, який може бути пароподібним, рідким і твердим.

Пароподібна вода міститься в порах грунту, утворюючи з грунтовим повітрям пароповітряну суміш. Пересування її здійснюється пасивно з грунтовим повітрям, під впливом зміни атмосферного тиску, температури і вологості і активно шляхом дифузії завдяки наявності градієнта пружності. Пароподібна вода безперервно утворюється в грунті, пересувається по горизонтах, перетворюється на інші форми. Конденсуючись, вона поповнює запаси крапельнорідкої води. Негативна температура викликає конденсацію води і намерзання її у вигляді льоду.

Рідка вода може перебувати в декількох формах зв'язку з твердими частинками грунту. Залежно від цього міняються і властивості води, її рух і доступність рослинам. Якщо не рахувати хімічно зв'язану воду, яка рослинам недоступна, можна виділити фізично зв’язану, капілярну і вільну (гравітаційну) воду

Фізично зв'язана вода утримується силами молекулярного тяжіння поверхні ґрунтових часток: за ступенем міцності зв'язку і, отже, рухливості підрозділяється на міцно зв’язану (гігроскопічну) і рихло зв’язану (плівкову). Гігроскопічна вода адсорбується з водяної пари грунтового повітря і утворює тонку плівку навколо ґрунтових часток, рослинам недоступна. Може пересуватися тільки при переході в пароподібний стан. Плівкова вода утворює товсту багатомолекулярну плівку навколо ґрунтових часток і утримується ними з меншою силою: може пересуватися від товщих плівок до тонких. Рослинам обмежено доступна.

Капілярна вода утворюється в грунті під впливом фізичних капілярноменіскових сил, що утримують цю воду в складній тонкопористій системі пір. Частково вона схильна і до дії сил тяжіння, тому за певних умов частина капілярної води може переходити у вільну гравітаційну. Капілярна вода рухлива, легкодоступна рослинам. Вона розчиняє і переміщає при русі розчинні солі, колоїдні органічні і мінеральні сполуки, тонкі суспензії. Розрізняють капілярнопідвішену та капілярнопідперту воду. Перша утримується верхніми шарами грунту і не пов'язана з ґрунтовою водою. Вона утворюється за рахунок опадів і поливів. Друга утворюється у формі капілярної облямівки, представленої шаром вологи, піднятої від рівня ґрунтових вод силами менісків.

У шаруватих грантах унаслідок розриву суцільності капілярної води на поверхні розділу тонкодисперсного і грубодисперсного горизонту виникають додаткові нижні меніски, тому грунт може утримати додаткову кількість капілярної води, яку називають капілярно посадженою.

Окрім вказаних суцільних різновидів капілярної води, в грунті існує дискретна капілярна вода. Вона представлена складною сіткою мікрокрапель і менісків в кутках пір, в точках стику часток, в ізольованих мікрокапілярах, нерухома, але рослинам доступна.

Вільна вода представлена гравітаційною або ґрунтовою водою. Гравітаційна вода заповнює некапілярні проміжки грунту і під дією сил тяжіння просочується в низхідному або бічному напрямі. Її поява в грунті говорить про накопичення вологи понад капілярну водоутримуючу здатність грунтів. У разі великої глибини залягання водоупору або поверхні грунтової води гравітаційна вода в процесі низхідного току поступово розсмоктується, переходячи в капілярнопідвішену або плівкову воду. Зустрічаючи на шляху просочування водотривкий шар або поверхню грунтової води, гравітаційна вода утворює або підвищує її рівень.

За визначенням А. Ф. Лебедева, ґрунтовою називають таку воду, яка володіє здатністю витікати з грунтів в природних або штучних розрізах. Якщо викопати шурф, то в ньому встановлюється поверхня грунтової води. По ній ми заміряємо глибину залягання рівня ґрунтових вод.

Утворення грунтової води пов'язане з неоднаковою водопроникністю різних шарів грунту. На верхньому слабопроникному шарі грунту відбувається тимчасовий застій гравітаційної води (весною, під час злив). це теж ґрунтова вода, але щоб підкреслити її тимчасовий характер і близьке залягання, її називають верховодкою.

Залежно від геологічних умов ґрунтова вода може бути застійною або стікаючою. Поверхня рівня застійної грунтової води наближається до горизонтальної, а поверхня стікаючої води відбиває рельєф поверхні. Ґрунтова, як і гравітаційна, вода доступна для рослин, але сильно обмежує вміст повітря в грунті.

Водні властивості грунту. Вміст води в грунті, швидкість її надходження, пересування і витрати значною мірою залежать від воднофізичних властивостей грунту: водопроникності, вологоємкості, водовіддачі і водопідіймальної здатності.

Під водопроникністю грунту розуміють його здатність пропускати через себе воду. Вона залежить від роду грунту: піски більш водопроникні, чим суглинки і особливо глини. Проте для одного і того ж грунту водопроникність, яка визначається швидкістю надходження води в грунт, змінюється залежно від його вологості.

У сухий грунт вода надходить порівняно швидко, потім швидкість надходження зменшується до більш менш постійного значення. Це відбувається тому, що в сухий грунт вода надходить під дією сил тяжіння твердими частками, сил менісків і гравітаційних сил. Поступово відбувається насичення грунту міцно зв’язаною, а потім капілярною водою, водою заповнюються також некапілярні проміжки грунту. З того часу встановлюється рух води під дією гравітаційних сил по заповненим водою некапілярним порам. Процес вбирання води в грунт змінюється процесом її фільтрації через грунт. Різна водопроникність грунту утворилася через геологічні причини, а також унаслідок процесів грунтотворення. Наприклад, при підзолистому процесі утворюється більш водотривкий горизонт вмивання, а нерідко і глейовий горизонт. На них відбувається тимчасовий застій гравітаційних вод (весною, під час злив).

Під вологоємкістю грунту розуміють її здатність вміщати і утримувати в собі ту або іншу кількість води. Вона виражається максимальним вмістом води (у відсотках об'єму або маси) при тій або іншій формі зв'язку її з ґрунтом. Тому розрізняють декілька видів вологоємкості, які розглядаються в курсі грунтознавства. Для меліорації важливе значення мають наступні види вологоємкості:

повна (повна водомісткість) – такий стан грунту, коли всі її пори заповнені водою;

польова (синоніми: найменша вологоємкість, гранична польова вологоємкість) – найбільший вміст води в грунті, який утримується ґрунтом без стікання води вниз;

капілярна – найбільша кількість води в грунті при близькому заляганні рівня ґрунтових вод, тобто найбільша кількість капілярнопідпертої вологи; змінюється залежно від висоти над рівнем ґрунтових вод;

максимальна молекулярна – найбільша кількість води, яка може бути утримана ґрунтом силами молекулярного тяжіння (найбільший вміст міцно зв’язаної води).

Водовіддача характеризує здатність насиченого до повної вологоємкості грунту віддавати частину води шляхом вільного стікання (під дією сили тяжіння). Звичайно вона рівна різниці між повною і найменшою вологоємкістю грунтів.

Різні за механічним і агрегатним складом грунти володіють різними водними властивостями. Піски добре проникні, але маловологоємкі, глини, навпаки, володіють великою вологоємкістю, але слабоводопрониклі (водоупорні). Супіски і суглинки посідають середнє положення. Дуже вологоємними є торф'яні ґрунти; їх водопроникність різна в залежності від ступені розкладання і інших властивостей.

Водопідіймальна здатність грунтів характеризується підйомом води по капілярах. Швидкість капілярного підняття тим більша, чим крупніші пори, а висота підйому тим вище, чим тонші пори. Тому вищий підйом спостерігається в глинах (до 3. .5 м), найменший – в пісках (0,5 ..1 м) і торфах, що слабко розклалися (0,2...0,3 м).

Оптимальна вологість і її допустимі межі. Для нормального зростання і розвитку рослин в грунті одночасно повинні міститися вода і повітря в певному співвідношенні.

При нестачі в грунті води коріння рослин не може подати необхідну кількість її до листя (ґрунтова засуха). У сухому грунті багато повітря, унаслідок чого активізується діяльність аеробних бактерій, а це призводить до швидкого і повного розкладання органічної речовини і, отже, до збіднення грунту. При малому вмісті води в грунті підвищується концентрація грунтового розчину, і рослини не можуть використовувати його. З іншого боку, при надлишку води в грунті мало повітря. Це погіршує дихання коріння рослин, сильно уповільнює процеси розкладання органічної речовини. В умовах недостатньої аерації пригнічується діяльність багатьох видів корисних бактерій, відбувається неповне анаеробне розкладання органічних речовин, ґрунти обідняються зольними елементами живлення в розчинній формі і набувають кислої реакції. Вологі ґрунти холодніші.

У перезволоженому середовищі утворюються отруйні речовини (ґрунтовий токсикоз). Таким чином, від кількості води в грунті залежать ступінь забезпечення нею рослин, вміст в грунті повітря, тепловий і поживний режими грунту, тобто його родючість. Якнайкращі умови для зростання рослин створюються при оптимальній вологості грунту. Оптимальна вологість грунту для різних рослин різна. Більш того, навіть для однієї і тієї ж рослини вона змінюється залежно від стадій і фази розвитку і умов зростання. Чим більше в грунті поживних речовин в засвоєній формі, тим вище оптимум вологості. Оптимальна вологість залежить і від грунтів (табл. 1).

Із-за нерівномірного надходження води в грунт npaктично неможливо підтримувати у вегетаційний період оптимальну вологість, проте фактична вологість не повинна виходити за допустимі межі.

Верхня межа допустимої вологості визначається мінімальним ступенем аерації активного шару грунту. Об'єм повітря, що міститься в цьому шарі грунту, повинен складати для зернових культур не менше 20... 30 %, коренеплодів –30...40 і для трав–15...20 % загальної шпаруватості грунту (А. Н. Костяков). Сам грунт частково регулює цю межу: вміст води в грунті при вологості, рівній найменшій вологоємкості, приблизно рівний 60...85 % загальної шпаруватості, тобто відповідає вмісту мінімального об'єму повітря в грунті.

Мінімальна вологість грунту повинна бути такою, щоб рослини не страждали від нестачі вологи і високої концентрації грунтового розчину, а також щоб поживні речовини знаходилися в засвоєній для них формі. Наймінімальніший вміст води в грунті визначається коефіцієнтом в'янення (вологість стійкого в'янення), який для більшості грунтів і культур в 1,5...2 рази більше за її гігроскопічність (20...25 % ПВ). Проте при вологості грунту, близького до коефіцієнта в'янення, різко знижується урожай в кількісних і якісних відношеннях, тому мінімальну вологість слід приймати рівній вологості початку пригнічення, або вологості розриву капілярів (по А. А Роде). Вона складає (0,6...0,75) ППВ. Отже, діапазон ефективнішої вологості грунту складе від 0,6 ППВ| до ППВ| або (0,5...0,85) р, де р – пористість грунту.

Найбільш оптимальний режим вологості грунту створюється на зрошуваних землях. При осушенні регулюється верхня межа допустимої вологості грунту, але цього, як правило, буває далеко не достатньо. Тому в даний час будують осушувально-зволожуючі системи, коли шляхом зволоження регулюється і нижня межа вологості.

Вимоги рослин до режиму ґрунтових вод. У нечорноземній зоні ґрунтові води часто знаходяться на невеликій глибині. При заляганні рівня ґрунтових вод на глибині 1...3 м, але не глибше за висоту капілярного підйому відбувається капілярне і плівковокапілярне водне підживлення кореневмісного шару грунту. При вищому стоянні ґрунтових вод спостерігається підтоплення ґрунтових горизонтів, внаслідок чого в грунті створюється нестача повітря і умови розвитку культурних рослин погіршуються.

Отже, при великій глибині залягання ґрунтові води не чинять впливу на водне живлення кореневмісного шару грунту, при високому стоянні ґрунтові води викликають надмірне зволоження, а при середніх глибинах рівня ґрунтових вод вони підживляють кореневмісний шар, створюючи оптимальні умови зволоження.

Оптимальна глибина пониження ґрунтових вод, при якій створюються якнайкращі умови водного і повітряного режимів грунтів відповідно до вимог культурних рослин, називається нормою осушення.

До останнього часу встановлювалися звичайно середньовегетаційні норми осушення, але рослини залежно від фази зростання і розвитку пред'являють неоднакові вимоги до умов зовнішнього середовища, у тому числі і до водного режиму грунтів. Тому, окрім середніх, треба знати і сезонні норми осушення.

Ставлення сільськогосподарських культур до затоплення. Заплави річок, западини і інші низько розташовані ділянки затоплюються під час весняних паводків і дощів. Весною і в дощові періоди літа вода на тривалий час застоюється на поверхні. Тому важливо знати витривалість рослин при затопленні, щоб уміло розташувати окремі види сільськогосподарських угідь і підібрати культури залежно від тривалості затоплення відповідно до рельєфу місцевості, а при меліорації розрахувати своєчасне скидання поверхневих вод. Допустимий час затоплення залежить від культури, сезону затоплення і характеру вод.

Затоплення ріллі русловими водами при великій швидкості їх руху і великій глибині може повністю погубити урожай навіть при короткому затопленні.

Методи регулювання водного режиму грунтів. Для регулювання водного режиму перш за все треба поліпшити водно-фізичні властивості грунту, головним чином шляхом збільшення його вологоємкості і водопроникності. Це завдання досягається застосуванням правильної агротехніки, що сприяє створенню потужного окультуреного орного горизонту.

Водний режим можна регулювати і частковою дією на окремі елементи водного балансу. Так, снігозатримання сприяє більш рівномірному розподілу снігу і меншому промерзанню грунту, а це при сніготаненні зменшуємо строк і випаровування з поверхні грунту. При вирощуванні високоврожайних, особливо з сильною транспірацією культур можна збільшити витрата води на транспірацію.

В значній мірі водний режим грунтів можна змінити шляхом вирощування високих урожаїв сільськогосподарських культур, бо з підвищенням урожайності збільшується сумарне водоспоживання, яке може перевищувати загальну суму опадів

Можна йти по шляху пристосування до природного водного режиму грунтів, тобто вирощувати культури, які можуть виростати в умовах неврегульованого водного режиму.

Наприклад, в умовах періодичного перезволоження можуть виростати манник, канаркова трава , тонконіг болотний і ін., в посушливих умовах – тонконіг вузьколистий, типчак|, житняк, і ін.

Якщо відхилення природного водного режиму грунтів від оптимального настільки велике, що вказаними заходами не можна відрегулювати водний режим, то застосовують гідротехнічні меліорації. З їх допомогою добиваються перерозподілу вологи в просторі і в часі для раціональнішого використання водних і земельних ресурсів. З цією метою будують меліоративні системи, які в технічному відношенні виконують наступне:

перетворюють воду із стану току в каналах або трубах в стан грунтової вологи на зрошуваних полях або, навпаки,

видаляють надмірну ґрунтову вологу на осушених землях шляхом перетворення її в стан руху по каналах або трубах (дренаж);

транспортують ці водні токи по каналах або трубах в потрібних кількостях і в потрібні терміни від вододжерел до зрошуваних полів при зрошуванні і від осушуваної площі до вододжерел при осушенні.

У зв'язку з цим меліоративні системи включають наступні основні частини:

– водоприймач (при осушенні) або вододжерело (при зрошуванні);

– провідну мережу – для транспортування води з осушуваної площі у водоприймач або з вододжерела на зрошувану площу;

– регулюючу осушувальну або поливну мережу, що створює і підтримує потрібний водний і повітряний режими грунту.