6.2. Водний режим ґрунту
Вологість ґрунту – одна із найбільш змінних у часі властивостей ґрунту, а динаміка вологості – дуже характерна сторона життя ґрунту.
Класичне визначення водного режиму ґрунту наступне:
Водний режим ґрунту – процеси надходження вологи в ґрунт, її перерозподіл і витрати. Слід відзначити, що у визначенні не вказується, звідки вода поступає у ґрунт: це можуть бути і атмосферні опади, і ґрунтові води, і латеральні потоки. Це означає, що водний режим розглядається у деякому визначеному ґрунтовому просторі, як правило, у ґрунтовому індивідуумі, педоні або профілі. Якщо мова йде про водний режим деякої ділянки, ландшафту, катени, то він вивчається як сумарний з взаємозв’язаних водних режимів окремих індивідуумів.
Основи розгляду водних режимів були закладені Г. Н. Висоцьким. Саме він запропонував одну з перших класифікацій водних режимів, яка пізніше була доповнена О. А. Роде, Н. А. Качинським, С. А. Вериго і Л. А. Розумовою, Ф. Р. Зайдельманом, Л. О. Карпачевським та ін.
Г. Н. Висоцький для класифікації водних режимів керувався наступними моментами:
чи є в профілі вічна мерзлота;
наскільки глибоко проникають води у ґрунт протягом року, особливо, чи проникають вони до ґрунтових вод;
як співвідносяться процеси висхідного і низхідного рухів води;
відношенням кількості опадів до випаровування, тобто коефіцієнтом випаровування (КВ).
На основі цих принципів Г. Н. Висоцьким було виділено п’ять основних типів водного режиму, а О. А. Роде пізніше доповнив цю класифікацію.
Сучасна класифікація включає такі типи водного режиму ґрунтів:
1. мерзлотний тип водного режиму ґрунтів поширений у районах багаторічної мерзлоти. Замерзлий шар ґрунто-підґрунтя є водонепроникним, на ньому формується над мерзлотна верховодка. Протягом вегетаційного періоду верхня частина розмерзлого ґрунту насичена водою.
2. промивний тип водного режиму ґрунтів характерний для місцевостей, де сума річних опадів більша від величини випаровування (КВ > 1). Ґрунтова товща щорічно навесні та восени промивається до ґрунтових вод, що спричиняє інтенсивне винесення продуктів ґрунтоутворення. У таких умовах формуються ґрунти підзолистого типу, червоноземи і жовтоземи. Болотний підтип водного режиму розвивається при близькому заляганні ґрунтових вод, низькій водопроникності ґрунтів і ґрунтотворних порід, що характерно для підзолисто-болотних і болотних ґрунтів.
3. періодично промивний тип водного режиму ґрунтів характеризується середньою багаторічною збалансованістю опадів і випаровування (КВ ≈ 1). Для водного режиму характерне чергування обмеженого промочування ґрунтово-підґрунтової товщі в сухі роки і наскрізне промочування у вологі. Промивання ґрунтів надлишковими опадами відбувається один-два рази через декілька років. Такий водний режим властивий сірим лісовим ґрунтам, чорноземам опідзоленим і вилугованим. Водозабезпеченість ґрунтів нестійка.
4. непромивний тип водного режиму ґрунтів властивий місцевостям, де волога опадів розподіляється тільки у верхніх горизонтах і не досягає ґрунтових вод (КВ < 1). Зв’язок між атмосферною і ґрунтовою водою в ґрунті здійснюється через шар з дуже низькою вологістю, близькою до вологості в’янення. Обмін вологою відбувається шляхом переміщення води у вигляді пари. Такий водний режим характерний для степових ґрунтів – чорноземів і каштанових, бурих напівпустельних і сіро-бурих пустельних ґрунтів. Коефіцієнт зволоження знижується до 0,1. Витрати вологи за непромивного типу водного режиму відбуваються головно на транспірацію, тому у верхніх горизонтах ґрунтів низхідні потоки вологи переважають над висхідними. Як правило, у даному випадку прихідні статті менші за витратні, і волога переміщується в межах 1-2 метрової товщі ґрунту.
5. випітний тип водного режиму ґрунтів проявляється у степовій і особливо в напівпустельній і пустельній зонах у випадку близького залягання ґрунтових вод (КВ << 1). Характерне переважання висхідних потоків вологи за рахунок підтоку її капілярами від ґрунтових вод, причому вода, піднімаючись до поверхні, швидко випаровується. При великій мінералізації ґрунтових вод у ґрунт надходять легкорозчинні солі і ґрунти засолюються. Інколи виділяють підтипи власне випітний і десуктивно-випітний. У останньому підкреслюється роль не лише випаровування, але і десукції (транспірації) рослин у процесі витрати вологи.
Сучасні типи водного режиму ґрунтів:
1. мерзлотний;
2. водонасичений (водозастійний);
3. періодично-водонасичений;
4. промивний;
5. періодично-промивний;
6. промивний сезонно-сухий;
7. непромивний;
8. арідний (сухий);
9. випітний;
10. десуктивно-випітний;
11. паводковий;
12. амфібіальний;
13. іригаційний;
14. осушувальний.
Наведена класифікація водного режиму (за О. А. Роде) є ґрунтово-генетичною, тобто пояснює ґрунтово-генетичні процеси, що протікають у ґрунтах. Якщо потрібно більш детальний опис водного режиму, наприклад, дослідження вологоспоживання рослин, рух вологи при зрошенні чи осушенні, тобто менш тривалих у часі, ніж ґрунтово-генетичний процес, то вказані вище класифікаційні градації є надто загальними. Тому у таких випадках потрібні кількісні форми представлення водного режиму.
Існують різні форми представлення водного режиму:
розподіл вологості по глибині;
пошарові динаміки;
хроноізоплети;
топоізоплети.
Водний режим ґрунтів можна розглядати як пошарову динаміку вмісту води (або тиску води) у конкретній товщі ґрунту, враховуючи зміни стану води. Основна увага у цьому визначенні водного режиму ґрунтів приділяється кількісній характеристиці – зміні вологості у шарах води в часі. Розглянемо на прикладі.
Залили площу на сухому гомогенному ґрунті, наприклад, на чорноземі. Визначили вологість по шарах 0-10, 10-20 і 20-30 см протягом 10 днів: зразу після поливу, на 2, 4 і 10-ту доби. У журналі спостережень записували вологості ґрунту за термінами і глибинами, в результаті одержали наступну таблицю (табл. 6.4).
Таблиця 6.4
Вологість ґрунту (% до маси) по шарах ґрунту (чорнозему) в період спостережень
Глибина, см |
Час, доба |
|||
0 |
2 |
4 |
10 |
|
0-10 |
40 |
30 |
20 |
5 |
10-20 |
18 |
22 |
20 |
17 |
20-30 |
15 |
15 |
17 |
17 |
Ці дані можна представити у вигляді графіків по глибині ґрунтового профілю. У цьому випадку одержимо так звані профільні розподіли, або “епюри”, вологості ґрунту (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Профільний розподіл вологості у гомогенному ґрунті за період спостереження
Такий тип представлення даних вологості зручний в тому випадку, якщо ми хочемо виділити особливу увагу низхідним і висхідним процесам руху води у ґрунті. У цьому випадку зразу після поливу площадки наситився тільки верхній шар, волога не проникла глибше 20 см, але зразу на другу добу фронт зволоження захопив 20-см товщу, на 4-ту – всю товщу, при цьому вже інтенсивно висушувались верхні 10 см ґрунту. Можна припустити, що переважали низхідні рухи, які після 4 діб змінились на висхідні.
Якщо стоїть завдання детально проаналізувати, як змінилась вологість в окремих шарах, то краще всього використати динамічні криві (рис. 6.8).
Рис. 6.8. Динамічні криві вологості гомогенного ґрунту за період спостереження
У цьому випадку добре видно, що вологість нижнього шару змінилась дуже мало, поступово збільшуючись. А ось верхній шар, навпаки, сильно висушувався. Цей спосіб представлення незамінний, коли ми хочемо порівняти пошарову динаміку двох об’єктів або порівняти реальні дані з розрахунковими. Для таких ситуацій – він найкращий.
Однак найбільш поширеним є зображення даних вологості у вигляді хроноізоплет.
Хроноізоплети – лінії з рівними значеннями вологості у координатах Y – X: “глибина” – “час”. Карта хроноізоплет аналогічна карті ізогіпс, або топографічній карті, на якій з’єднані горизонталями точки з однаковою висотою. У нашому випадку – хроноізоплетами з’єднані точки з однаковою вологістю. На рис. 6.9 наведена карта хроноізоплет випадку, який розглядається. Хроноізоплети вологості, побудовані для гомогенного і шаруватого ґрунту, будуть відрізнятись. Хроноізоплети шаруватого ґрунту важко інтерпретувати, не можна сказати, як рухалась вода, як відбувалось випаровування і т. д.
Рис. 6.9. Хроноізоплети вологості у гомогенному (а) і шаруватому (б) ґрунті
Крім хроноізоплет, використовують і топоізоплети вологості (чи тиску вологи). У цьому випадку поле хроноізоплет має лише просторові координати для якого-небудь конкретного моменту часу. Прикладом може бути розподіл відносної вологості ґрунту після поливу крапельним зрошенням (рис. 6.10).
Рис. 6.10. Топоізоплети відносної вологості чорнозему (а) після поливу крапельним способом (0 – положення капельниці) і вологості сірого лісового ґрунту на ділянці сільськогосподарського поля 70х80 м
на глибині 35-40 см (б)
Водний режим ґрунту – процеси надходження вологи у ґрунт, її перерозподіл і витрати.
Водний режим ґрунту – пошарова динаміка вмісту води і/або енергетичного стану води (вологості і/або тиску вологи) у шарі ґрунту, що розглядається, виражена з врахуванням пошарової зміни ґрунтово-гідрологічних констант (відносна вологість) і метеорологічних умов за визначений період в товщі ґрунту, що розглядається.
Хроноізоплети вологості – лінії рівних значень вологості (тиску вологи) у полі координат “глибина ґрунту – час” з вказівкою динаміки метеорологічних умов за час, що розглядається.
Топоізоплети – лінії рівних значень вологості у координатах “глибина ґрунту – розгляд по горизонталі” у визначений момент часу.