Лекция 6. Вода в почве. Почвенный раствор.

Под влиянием воды протекают почти все основные почвообразовательные процессы: выветривание и новообразование минералов, гумусообразование и химические реакции, формирование генетических горизонтов почвенного профиля.

Вода осуществляет функцию терморегуляции, определяя тепловой баланс почвы и ее температурный режим.

Велика роль воды в плодородии и обеспечении жизни растений, т.к. почва является главным источником воды для произрастающих на ней растений.

Состояние воды в почве, ее передвижение по профилю и доступность растениям, водно-физические свойства почв, их водный режим – предмет изучения почвенной гидрологии и гидрофизики. Ученые, работавшие в данной области: Г.Н. Высоцкий, Н.А. Качинский, А.А. Роде и др.

Формы воды в почве.

Вода в почве неоднородна, разные ее порции имеют разные физические свойства (термодинамический потенциал, теплоемкость, плотность, вязкость, подвижность молекул, осмотическое давление и т.д.). Эти свойства обусловлены характером взаиморасположения и взаимодействия молекул воды между собой и с другими фазами почвы – твердой, газовой и жидкой. Порции почвенной воды, обладающие одинаковыми свойствами, называются категории или формы почвенной воды.

Классификация А.А. Роде (1965):

1. Твердая вода – лед. Является потенциальным источником жидкой и парообразной воды, в которую он переходит в результате таяния и испарения. Появление воды в форме льда может иметь сезонный (зимнее промерзание почвы) или многолетний (вечная мерзлота) характер. Т.к. почвенная вода – это всегда раствор, то t замерзания воды в почве ниже 0°С.

2. Химически связанная вода – включает конституционную и кристаллизационную. Конституционная представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, марганца, органические соединения, глинистые минералы). Кристаллизационная – это целые молекулы воды кристаллогидратов, как правило – солей (полугидрат – CaSO₄*¹/₂ H₂O, гипс – CaSO₄*2H₂O и др.). Эта вода входит в состав твердой фазы почв и не является самостоятельной, не передвигается и не обладает свойствами растворителя.

3. Парообразная вода – это водяной пар, который содержится в почвенном воздухе в порах. Почвенный воздух всегда близок к состоянию насыщения парами воды, поэтому небольшое понижение температуры приводит к конденсации воды, т.е. парообразная вода переходит в жидкую. При небольшом повышении температуры происходит обратный процесс - испарение. Парообразная воды в почве передвигается в поровом пространстве от участков воздуха более насыщенных водой, к участкам менее насыщенным. Также может передвигаться вместе с током воздуха – это пассивное движение.

4. Физически связанная, или сорбированная вода – это вода, сорбированная на поверхности почвенных частиц, обладающих определенной поверхностной энергией за счет сил притяжения разной природы. Когда почвенные частицы соприкасаются с молекулами воды, воды притягивается частицами под действием сил сорбции и образует пленку. Молекулы воды могут сорбироваться почвой из жидкого и из парообразного состояния. В зависимости от прочности удержания воды физически связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода – это вода, поглощенная почвой из парообразного состояния. Свойство почвы сорбировать парообразную воду называют гигроскопичностью почв, а поглощенную таким образом воду – гигроскопической. Она удерживается у поверхности почвенных частиц очень высоким давлением (1-2)*10⁹ Па, образуя вокруг частиц тончайшие пленки. Из-за высокой прочности удержания гигроскопическая вода неподвижна. По физическим свойствам прочносвязанная (гигроскопическая) вода приближается к твердым телам. Плотность ее достигает 1,5-1,8 г/см³, она не замерзает, не растворяет электролиты, отличается повышенной вязкостью и не доступна растениям.

Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха, близкой к 100%, называют максимальной гигроскопической водой (МГ).

На гигроскопичность почв и МГ влияют: свойства твердой фазы почв, которые влияют на удельную поверхность частиц – гранулометрический и минералогический состав, степень гумусированности. Чем выше содержание илистой и коллоидной фракций, тем больше гигроскопичность почв. При влажности почвы, равно МГ, толщина пленки из молекул воды составляет 3-4 слоев.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода. Почва не может поглощать парообразной воды больше МГ, но может сорбировать жидкую воду в большом количестве. Вода, удерживаемая в почве сорбционными силами сверх МГ – это вода рыхлосвязанная или пленочная. Сила, с которой она удерживается, гораздо меньше, чем у прочносвязанной воды – давление 1*10⁵ Па.

Рыхлосвязанная вода также представляет собой пленку, образованную вокруг почвенной частицы, толщина ее больше – 10 и 100 диаметров молекул воды. По физическому состоянию рыхлосвязанная вода неоднородна, что обусловлено разной прочностью связи молекул различных слоев. Модно сказать, что она находится в вязкожидкой форме, т.е. на промежуточном положении между прочносвязанной и свободной водой.

Рыхлосвязанная вода может передвигаться в жидкой форме от почвенных частиц с более толстыми водяными пленками к частицам с более тонкими, т.е. при наличии градиента влажности. Такое движение происходит очень медленно – несколько 10-в см в год.

5. Свободная вода – это вода, которая содержится в почве сверх рыхлосвязанной, и находится вне области действия сил притяжения со стороны почвенных частиц (сорбционных сил). Присутствует в капиллярной и гравитационной формах.

А) Капиллярная вода – удерживается в почве в порах малого диаметра (капиллярах) под действием капиллярных, или менисковых сил. Эти силы образуются в результате наличия поверхностного натяжения жидкости и действуют в порах с диаметром менее 8мм, а наиболее сильные – в порах с диаметром 100^-3 мкм. Поры, крупнее 8 мм не обладают капиллярными свойствами, а поры, меньше 3 мкм заполнены связанной водой. Вода в капиллярах способна подниматься вверх по почвенному профилю, т.е. против гравитационного притяжения Земли.

Капиллярная вода по агрегатному состоянию жидкая, высоко подвижна, обеспечивает пополнение запасов воды в приповерхностном слое при потреблении ее растениями или при испарении. Она свободно растворяет вещества и перемещает растворимые соли, коллоиды, тонкие суспензии. Разделяется на виды: капиллярно-подвешенная, капиллярно-подпертая, капиллярно-посаженная.

Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почв сверху (после дождя или полива). При этом под промоченным имеется сухой слой, т.е. вода в промоченном слое как бы «висит», не стекая вниз, над сухим слоем. Количество капиллярно-подвешенной воды всегда уменьшается вниз по профилю. Капиллярно-подвешенная вода удерживается в почвах достаточно прочно, но до определенного предела, если воды в почве становится выше этого предела, то вода начинает стекать. Данный вид воды доступен для растений, может вызывать засоление почв в поверхностных горизонтах, и зависит от гранулометрического состава почв.

Капиллярно-подпертая вода образуется в почвах при подъеме воды снизу от горизонта грунтовых вод по капиллярам на некоторую высоту, т.е. это вода, которая содержится в слое почвы непосредственно над водоносным горизонтом и гидравлически с ним связана, подпирается водами этого горизонта. Встречается в почвах любого гранулометрического состава. Слой почвы, содержащий капиллярно-подпертую воду над водоносным горизонтом, называется капиллярной каймой. В почвах тяжелого гранулометрического состава она больше (от 2 до 6 м), чем в песчаных (40-60 см). Содержание воды в кайме уменьшается снизу вверх.

Капиллярно-посаженная вода – образуется в слоистой почвенной толще, в мелкозернистом слое при подстилании его слоем более крупнозернистым, над границей смены этих

Б) Гравитационная вода. Основной признак – свободное передвижение под действием силы тяжести, т.е. она находится вне влияния сорбционных и капиллярных сил почвы. Характерно: жидкое состояние, высокая растворяющая способность и возможность переносить в растворенном состоянии соли, коллоидные растворы, тонкие суспензии. Подразделяется на: просачивающуюся гравитационную и воду водоносных горизонтов (подпертая гравитационная).

Просачивающаяся гравитационная передвигается по порам и трещинам сверху вниз. Появляется в почве при накоплении воды, которая превышает удерживающую силу капилляров.

Вода водоносных горизонтов – это грунтовые, почвенно-грунтовые и почвенные воды (почвенная верховодка), насыщающие почву до состояния, при котором все пора и промежутки заполнены водой. Воды могут быть застойными или стекающими в каком-либо направлении. Задерживаются в почве из-за малой проницаемости подстилающих грунтов.

Присутствие в почве больших количеств неблагоприятное явление, т.к. избыточное увлажнение способствует созданию анаэробных условий, развитию глеевого процесса.

Водные свойства почв.

Водными (водно-физическими) свойствами называют совокупность свойств почвы, которые определяют поведение почвенной воды в ее толще. Наиболее важные свойства: водоудерживающая способность, влагоемкость, водоподъемная способность, потенциал почвенной влаги, водопроницаемость.

1. Водоудерживающая способность – способность поглощать и удерживать определенное количество воды. В зависимости от сил, удерживающих воду в почве, и условий удержания выделяют виды влагоемкости: максимальную адсорбционную, максимальную молекулярную, капиллярную, наименьшую или полевую и полную.

А) максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ) – наибольшее количество воды, которое может быть удержано сорбционными силами на поверхности частиц. Соответствует прочносвязанной (адсорбированной) воде.

Б) максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ)– верхний предел содержания в почвах рыхлосвязанной (пленочной) воды. Определяется гранулометрическим составом почв, в глинистых – 25-30%, в песчаных – 5-7%. Увеличение запасов воды сверх ММВ приводит к появлению подвижной капиллярной или гравитационной воды. При влажности почвы, соответствующей ММВ запасы доступной растениям воды в почве так малы, что не могут удовлетворить потребности растений.

В) капиллярная влагоемкость (КВ) – наибольшее количество капиллярно-подпертой воды, которое может удерживаться в слое почвы, находящемся в пределах капиллярной каймы. Зависит от скважности, от расстояния до зеркала грунтовых вод: чем больше расстоянием, тем меньше КВ. при близком залегании грунтовых вод (1,5-2 м), КВ наибольшая.

Г) наименьшая влагоемкость (НВ) – наибольшее количество капиллярно-подвешенной воды, которое может удержать почва после стекания избытка влаги при глубоком залегании грунтовых вод. Зависит от гранулометрического состава почв, структуры и плотности. В тяжелых по грансоставу, хорошо оструктуренных почвах – 30-35, в песчаных почвах – 10-15%.

Дефицит влаги в почве – величина, равная разности между наименьшей влагоемкостью и фактической влажностью почвы.

Оптимальная влажность почвы, составляющая 70-100% наименьшей влагоемкости.

Д) полная влагоемкость (ПВ) – наибольшее количество влаги, которое может содержаться в почве при условии заполнения водой всех пор, за исключением пор с защемленным воздухом, 5-8% от общей порозности. ПВ численно соответствует порозности (скважности) почвы.

Почвенно-гидрологические константы.

- это граничные значения влажности, при которых количественные изменения в подвижности воды переходят в качественные отличия. К ним относятся: максимальная гигроскопичность, влажность завядания, влажность разрыва капилляров, наименьшая влагоемкость, полная влагоемкость.

1) максимальная гигроскопичность (МГ)– характеризует предельно возможное количество парообразной воды, которое почва может поглотить из воздуха, почти насыщенного водяным паром. Вода, находящаяся в почве в состоянии МГ, не доступна растениям. Это «мертвый запас влаги». По МГ рассчитывают коэффициент завядания растений – нижнюю границу воды, доступной для растений.

2) влажность устойчивого завядания или влажность завядания (ВЗ) - влажность, при которой растения проявляют признаки устойчивого завядания, т.е. такого завядания, признаки которого не пропадают, если растений перемещается в благоприятные условия. ВЗ равна 1,5 максимальной гигроскопичности. ВЗ называют также коэффициентом завядания.

ВЗ определяется свойствами почв и характером растений. В глинистых почвах она выше, чем в песчаных. Сильно возрастает в засоленных и содержащих большое количество органических веществ почвах. В глинах ВЗ=20-30%, в суглинках 10-12%, в песках 1-3%, у торфов – до 60-80%. Засухоустойчивые растения завядают при меньшей влажности, чем влаголюбивые.

3) влажность разрыва капилляров (ВРК). Капиллярно-подвешенная вода при испарении передвигается в жидкой фазе к испаряющей поверхности по капиллярам, заполненным водой. При определенном снижении влажности, характерном для каждой почвы, восходящее передвижение воды прекращается или резко затормаживается. Потеря способности к такому передвижению происходит из-за исчезновения сплошности капилляров, заполненных водой, и это количество воды называется влажностью разрыва капилляров.

Т.о., ВРК – это влажность, при которой подвижность капиллярной воды в процессе снижения влажности резко снижается. Эта влага неподвижна, но доступна корешкам растений.

ВРК так же называют критической влажностью, т.к. при такой влажности рост растений замедляется и продуктивность снижается. ВРК в среднем равна 50-60% от наименьшей влагоемкости почв. Зависит от грансостава, структуры почв. В бесструктурных почвах запасы воды расходуются быстрее. Поэтому влажность быстрее достигает ВРК.

Водопроницаемость почв.

- это способность почв впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. Происходит в 2 этапа: 1) поглощение воды почвой и прохождении ее от слоя к слою в ненасыщенной водой почве; 2) фильтрация воды сквозь толщу насыщенной водой почвы.

Первый этап представляет собой впитывание и характеризуется коэффициентом впитывания. Второй этап – это фильтрация и характеризуется коэффициентом фильтрации. В природных условиях четко выделить границу между ними невозможно. Границей между впитыванием и фильтрацией считают момент установления постоянной фильтрации.

Водопроницаемость зависит от грансостава почв и их химических свойств, структуры, плотности, порозности, влажности и длительности увлажнения. В тяжелых по грансоставу почвах она меньше, чем в легких. Оструктуренные почвы характеризуются большими коэффициентами впитывания и фильтрации. Сильно снижает водопроницаемость почв наличие набухающих коллоидов, насыщенных натрием и магния.

Водопроницаемость измеряется количеством воды, которое проходит через единицу площади поперечного сечения за единицу времени. Она динамична и варьирует по профилю и пространственно.

Водоподъемная способность почв.

Это свойство почвы вызывать восходящее передвижение содержащейся в ней воды за счет капиллярных сил.

Высота подъема воды в почвах и скорость ее передвижения зависят от грансостава, порозности и структуры почв. Чем почвы тяжелее и менее структурны, тем больше потенциальная высота подъема воды, а скорость подъема меньше.

Доступность почвенной влаги для растений

- это очень важная характеристика, которая определяет во многом плодородие почв. Растения в процессе жизнедеятельности расходуют большое количество воды, которое в большинстве идет на транспирацию, и небольшое количество – на создание биомассы.

По доступности растения вся вода в почве делится на:

1. недоступная для растений - вся прочносвязанная вода, мертвый запас влаги в почве. Недоступность объясняется тем, что всасывающая сила корней намного меньше сил, которые удерживают эту влагу в почве. Мертвый запас влаги соответствует максимальной адсорбционной влагоемкости, или немного превышает ее.

2. весьма труднодоступная для растений – вся рыхлосвязанная (пленочная) вода. Трудная доступность объясняется низкой подвижностью этой воды, поэтому вода не успевает подтекать к месту ее потребления, т.е. к корневым волоскам. Количество этой влаги – это диапазон влажности от максимальной адсорбционной влагоемкости до влажности завядания.

3. труднодоступная вода – лежит в пределах между влажностью завядания и влажностью разрыва капилляров. Растения могут существовать, но их продуктивность снижается.

4. среднедоступная вода – от влажности разрыва капилляров до наименьшей влагоемкости. Вода обладает значительной подвижностью, растения могут свободно потреблять ее. Продуктивность растений возрастает.

5. легкодоступная, переходящая в избыточную воду – диапазон влажности от наименьшей влагоемкости до полной влагоемкости. Заполнение всех пор затрудняет доступ воздуха в почву, что приводит к затрудненному дыханию и развитию восстановительных процессов. Поэтому вода сверх наименьшей влагоемкости считается избыточной.