Pochvovedenie_Kovda_chast1

считал по формуле Жюрена следующую зависимость капилляр­ ного давления воды от диаметра капилляров:

Приведенные расчеты показывают, что с увеличением диа­ метра почвенных пор находящаяся в них вода теряет капилляр­ ное давление и все больше испытывает воздействие гравита­ ционных сил.

Таким образом, относительный вклад частных термодинами­ ческих потенциалов почвенной воды в ее полный потенциал су­ щественно меняется с изменением влажности почвы: чем суше почва, тем больше роль адсорбционных и осмотических сил; чем она влажнее, тем больше относительная роль капиллярных и затем гравитационных явлений и тем меньше значение давле­ ния, показанного тензиометром.

Кривые водоудерживания почв обычно имеют четко выражен­ ную гистерезисную петлю, т. е. имеют несколько различную форму при иссушении и увлажнении одной и той же почвы, что может быть, в частности, связано с различием в последователь­ ности заполнения пор разного размера водой при увлажнении почвы и их освобождения от воды при иссушении: заполняются вначале мелкие поры, а освобождаются от воды первыми круп­ ные.

Невыровненность потенциалов почвенной воды в разных точ­ ках является непосредственной причиной движения воды в поч­ вах: вода перемещается в сторону наиболее низкого потенциала, в общем случае из более влажных участков в более сухие. Однако вследствие наличия сопротивления среды движению воды движущей силой перемещения почвенной воды служит не раз­

новлено еще в середине прошлого века в известном законе Дарси для плотности установившегося водного потока в пористой среде.

Существует определенная связь почвенно-гидрологических констант с давлением почвенной воды. Например, наименьшей влагоемкости почвы соответствует давление от —104 до —3× ×104 Па, а влажности завядания от —6•105 до —2,5•106 Па. С изменениями давления почвенной воды в зависимости от влаж­ ности меняется и коэффициент влагопроводности почв К в урав­ нении потока воды в почве (i= — К Р/Аl); при изменении влажности почвы от наименьшей влагоемкости до влажности завядания К уменьшается на два порядка (сухая почва обладает худшей влагопроводностью, чем влажная).

Установлены эмпирические зависимости водопотребления рас­ тений от давления воды в почве, но они весьма сложные и под­ вержены воздействию множества самых разнообразных факто­ ров, действующих в системе почва — растение — атмосфера. Од-

148

нако моделирование процессов водопотребления с использова­ нием термодинамической концепции поведения воды в почве представляется весьма перспективным и может быть использова­ но для управления водным режимом почв.

6.8.Сосущая сила почвы

Впочве, насыщенной влагой и не содержащей солей, давление почвенной влаги равно нулю. При снижении влажности почвы оно приобретает все большие по абсолютной величине отрица­ тельные значения. По мере иссушения у почвы появляется спо­ собность при соприкосновении с водой поглощать ее. Такая способность почв получила название сосущей силы почвы. Впервые она была установлена В. Г. Корневым (1924). Величина, характеризующая эту силу, получила название всасывающего давления почвы. Всасывающее давление (сосущая сила) почвы численно равно давлению почвенной воды, но выражается поло­ жительной величиной.

Всасывающее давление почвы измеряется при любых влажностях, начиная от полного насыщения почвы и кончая почти сухой почвой, специальными приборами. Чаще всего для этой цели используют тензиометры и капилляриметры. Выражается всасывающее давление, как и давление почвенной воды, в Паска­

вод. ст., или 109 Па. Оперировать с величинами такого порядка неудобно и Р. К. Скофилд (1935) предложил выражать всасывающее давление почвы не числом сантиметров водного столба, а десятитысячным логарифмом этого числа pF. Тогда у почвы, почти полностью насыщенной пресной влагой, при дав­ лении, равном 103 Па, pF = 1, давлению в 105 Па будет соответ­ ствовать pF=3, а в сухой ночве, когда давление приближается к 109 Па, pF приближается к своему верхнему пределу, равному 7. Скофилд показал, что между значениями влажности, подвижно­ сти и доступности почвенной влаги для растений и всасывающим давлением существует довольно тесная зависимость (табл. 24).

Позже неоднократно предпринимались попытки связать формы воды в почве, почвенно-гидрологические константы и другие воднофизические характеристики с pF (С. И. Долгов, 1948; А. Конке, 1968; Л. А. Ричардс, Л. Р. Уивер, 1944; А. Д. Воронин, В. Г. Витязев, 1976, и др.).

В настоящее время считают, что определенным водно-физиче­ ским характеристикам и формам воды соответствуют следующие значения pF: максимальная гигроскопическая вода —4,5; влаж­ ность завядания — 4,2; наименьшая влагоемкость для почв:

149

Оценка физического состояния почвенной воды по потенциалу или по всасывающему давлению является более правильной, нежели по абсолютному содержанию воды. Обусловлено это тем, что по значениям pF можно произвести объективную сравнитель­ ную качественную оценку состояния воды в почве с различными физико-механическими и водно-физическими свойствами. Почвы, обладающие одинаковыми pF, можно считать эквивалентно влаж­ ными, т. е. близкими по содержанию воды той или иной категории физиологической доступности, хотя абсолютное содержание воды в почве при этом может быть различным (табл. 25).

Т а б л и ц а 25. Водно-физические свойства почв и отвечающие им значения pF (по А. А. Роде, 1965)

6.9. Доступность почвенной воды для растений

Доступность различных форм почвенной воды растениям явля­ ется исключительно важной характеристикой, определяющей в значительной степени плодородие почв. Растения в процессе жизни потребляют очень большое количество воды, расходуя глав­ ную ее массу на транспирацию и лишь небольшую долю на создание биомассы.

Расход воды из почвы растениями характеризуется двумя пока­ зателями: во-первых, транспирационным коэффициентом — отно-

150

шением количества воды, израсходованной растением, к общему приросту сухого вещества за определенный промежуток времени; во-вторых, относительной транспирацией — отношением факти­ ческой транспирации при данной водообеспеченности к потен­ циальной транспирации при свободном доступе воды. Для боль­ шинства культурных растений транспирационный коэффициент (при потенциальной, т. е. обеспеченной свободным доступом воды транспирации) колеблется в пределах 400—600, достигая иногда 1000; т. е. на создание 1 т сухого органического вещества био­ массы расходуется 400—600 т и более воды из почвы (при усло­ вии наличия доступной воды в почве)

Доступность почвенной воды растениям определяется в основ­ ном двумя гидрофизическими характеристиками почвы: потенциа­ лом (давлением) почвенной воды и способностью почвы проводить поток воды, т. е. коэффициентом влагопроводности. Интенсивность потока влаги к корням растений (а это и есть количественное выражение доступности воды) будет тем больше, чем больше разность потенциалов воды в корне и почве и чем выше коэффици­ ент влагопроводности.

По отношению к доступности растениям почвенная вода может быть подразделена на следующие категории (по А. А. Роде).

1.Недоступная для растений. Это вся прочиосвязанная вода, составляющая в почве так называемый мертвый запас воды. Недоступность этой воды объясняется тем, что всасывающая сила корней намного меньше сил, которые удерживают эту воду на поверхности почвенных частиц, иначе говоря, всасывающего давления почвенной воды. Мертвый запас воды в почвах соответствует приблизительно максимальной адсорбционной влагоемкости или немного превышает ее.

2.Весьма труднодоступная для растений. Эта категория представлена в основном рыхлосвязанной (пленочной) водой. Трудная доступность ее обусловлена низкой подвижностью этой воды (низким коэффициентом влагопроводности), в силу чего вода не успевает подтекать к точкам ее потребления, т. е. к корне­ вым волоскам. Количество весьма труднодоступной воды в почвах характеризуется диапазоном влажности от максимальной адсорбционной влагоемкости до влажности завядания. Содержа­ ние воды в почве, соответствующее влажности завядания, являет­ ся нижним пределом продуктивной влаги.

2.Труднодоступная вода лежит в пределах между влажностью завядания и влажностью разрыва капилляров. В этом интервале

влажности растения могут существовать, но продуктивность их снижается. Уменьшение доступности воды отражается в первую очередь не на внешнем состоянии растений (завядание), а на снижении их продуктивности.

4. Среднедоступная вода отвечает диапазону влажности от

и растения поэтому могут бесперебойно снабжаться ею. Продук-

151

тивность растений с переходом влажности от ВРК и приближении ее к НВ резко возрастает. Разность между наименьшей влагоемкостью и влажностью завядания — это диапазон физиологи­ чески активной воды в почве.

5. Легкодоступная, переходящая в избыточную вода отвечает диапазону влажности от наименьшей влагоемкости до полной влагоемкости. Заполнение водой большей части пор затрудняет поступление в почву воздуха и может быть причиной затруднен­ ного дыхания и изменения окислительно-восстановительных усло­ вий в сторону преимущественного развития восстановительных процессов и создания в почве анаэробной обстановки. Поэтому воду, содержащуюся в почве (за исключением песчаных почв) сверх значения наименьшей влагоемкости, следует считать избы­ точной.

Глава седьмая ПОЧВЕННЫЙ РАСТВОР

Почвенный раствор можно определить как жидкую фазу почв, включающую почвенную воду, содержащую растворенные соли органоминеральные и органические соединения, газы и тончайшие коллоидные золи. В. И. Вернадский считал почвенные растворы одной из важнейших категорий природных вод, «основным субстратом жизни», «основным элементом механизма биосферы». К.. К. Гедройц, А. Г. Дояренко, А. А. Шмук, С. А. Заха­ ров, А. А. Роде, П. А. Крюков, Н. А. Комарова, Е. И. Шилова внесли существенный вклад в разработку методов выделения и особенно в изучение состава и динамики почвенных растворов.

Наиболее существенным источником почвенных растворов являются атмосферные осадки. Грунтовые воды также могут участвовать в их формировании. В зависимости от типа водного режима почвы участие грунтовых вод может быть систематическим (выпотной или застойный водный режим) и периодическим (перио­ дически выпотной водный режим). При орошении дополнительным резервом влаги для почвенных растворов становятся поливные воды.

Атмосферные осадки, поверхностные воды, росы, грунтовые воды, попадая в почву и переходя в категорию жидкой ее фазы, изменяют свой состав при взаимодействии с твердой и газообраз­ ной фазами почвы, с корневыми системами растений и живыми организмами, населяющими почву. Образующийся почвенный раствор в свою очередь играет огромную роль в динамике почв, питании растений и микроорганизмов, принимает активное участие в процессах преобразования минеральных и органических соедине­ ний в почвах, в их передвижении по профилю.

Содержание влаги в почвах, а следовательно, и количество почвенного раствора могут колебаться в очень широких пределах, от десятков процентов (вода занимает практически всю порозность

152

почвы) до единиц или долей процентов, когда в почве находится лишь адсорбированная вода. Физически прочносвязанная вода (гигроскопичcекая и отчасти максимальная гигроскопическая) представляет собой так называемый нерастворяющий объем поч­ венной воды, поэтому она не входит в состав почвенного раствора как такового. Не успевают стать специфически почвенным раство­ ром и гравитационные воды, быстро просачивающиеся через почвенные горизонты по крупным трещинам и ходам корней. Таким образом, почвенный раствор включает все формы капиллярной, рыхло- и относительно прочносвязанной воды почвы.

7.1. Методы выделения почвенных растворов

Для выделения и изучения почвенных растворов в зависимости от условий и задач исследования применяются различные методы.

I группа методов: выделение и изучение почвенного раствора при помощи водных вытяжек, т. е. извлечение раствора добав­ лением к почве воды в количестве, значительно превышающем навеску почвы (наиболее часто применяемое соотношение почва: вода = 1:5) . Составы почвенных растворов и водных вытяжек весьма сильно различаются между собой, как это показал В. А. Ковда (1946, 1947). Поэтому в настоящее время водные вы­ тяжки используются в основном для характеристики содержа­ ния в почвах легкорастворимых солей и иногда для определе­ ния ряда легко доступных растениям питательных элементов.

II группа методов: выделение раствора из почвы в сравнитель­ но неизменном виде. Для выделения почвенного раствора из образца почвы, предварительно отобранного из почвенного профи­ ля, необходимо преодолеть силу взаимодействия твердой и жид­ кой фаз почвы. Поэтому все методы основываются на примене­ нии внешней силы: 1) давление, создаваемое прессом; 2) давление сжатого газа; 3) центробежная сила; 4) вытесняющая способность различных жидкостей. Практически в современных почвенных

Рис. 26. Схема устройства лизиметров конструкции Е. И. Шиловой

153

исследованиях наиболее часто применяются первый и послед­ ний методы, т. е. отпрессовывание раствора или вытеснение заме­ щающей жидкостью.

III группа методов: так называемые лизиметрические методы, действующие по принципу замещения и вытеснения почвенных растворов талыми и дождевыми водами. Для количественного учета и изучения состава просачивающихся сквозь почву раство­ ров применяют лизиметры различного устройства: лизиметры-кон­ тейнеры с бетонированными стенками и дном, лизиметры-моноли­ ты, лизиметры-воронки, плоские лизиметры закрытого типа, в наи­ меньшей степени нарушающие естественное залегание почвы, лизиметрические хроматографические колонки. Большой вклад в изучение жидкой фазы почв с применением лизиметров внесли исследования советских ученых В. В. Геммерлинга, И. Н. Скрынниковой, В. В. Пономаренко, Е. И. Шиловой, И. С. Кауричева. На рис. 26 представлен образец врезанного в почву и изолирован­ ного от сообщения с наружным воздухом лизиметрического устройства, предложенного Е.И.Шиловой (1955). Этот тип ли­ зиметра наиболее широко используется в практике почвенных исследований.

IV группа методов: непосредственные исследования водной фазы почв в почве естественного залегания (измерения in situ) в полевых условиях. Первые опыты с применением электродов, погружаемых в почву, для определения влажности и электропро­ водимости почв (учет запаса солей) были проведены еще в конце XIX в. Долгое время в почвах определяли лишь активность ионов водорода и окислительно-восстановительный потенциал. В послед­ ние годы развитие потенциометрических и, в частности, ионометрических методов позволяет более широко проводить эти исследо­ вания, определять широкий набор ионов (Са2 + , Mg2 + , K+, Na+ , NО-3, Cl- и др.), измеряя их активность в почве.

7.2. Химический состав почвенных растворов

Формирование состава почвенных растворов — сложный про­ цесс, который обусловливается и регулируется как абиотическими, так и биотическими факторами и компонентами почвы и экосис­ темы в целом. Состав почвенных растворов зависит от количества и качества атмосферных осадков, от состава твердой фазы почвы, от количества и качественного состава живого и мертвого расти­ тельного материала в надземных и подземных ярусах биогеоцено­ за, от жизнедеятельности мезофауны и микроорганизмов. Состав почвенных растворов постоянно находится под влиянием жизне­ деятельности высших растений — изъятие из него корнями оп­ ределенных ионов и соединений и, наоборот, поступление веществ с корневыми выделениями.

Минеральные, органические и органоминеральные вещества, входящие в состав жидкой фазы почв, могут иметь форму истинно

154

растворенных или коллоидно-растворимых соединений. Коллоид­ но-растворимые вещества представлены золями кремнекислоты и полутораоксидов железа и алюминия, органическими и органоминеральными соединениями. По данным К. К. Гедройца, коллои­ ды составляют от 1/10 до 1/4 от общего количества веществ, на­ ходящихся в почвенном растворе.

К важнейшим катионам почвенного раствора относятся

в виде комплексных органоминеральных соединений, где органи­ ческая часть комплексов представлена гумусовыми и низкомоле­ кулярными органическими кислотами, полифенолами и другими органическими веществами.

Концентрация почвенных растворов невелика и в разных типах почв колеблется от десятков миллиграммов до нескольких граммов вещества на литр раствора. Только в засоленных почвах содер­ жание растворенных веществ может достигать десятков и даже сотен граммов на литр.

Наличие в почвенном растворе свободных кислот и оснований, кислых и основных солей определяют одно из важнейших для жизнедеятельности растений и процессов почвообразования его свойство — актуальную реакцию почвенного раствора. Реакция почвенного раствора определяется активностью свободных водо­ родных (Н+ ) и гидроксильных ионов (ОН- ) и измеряется рН – отрицательным логарифмом активности водородных ионов. рН почвенного раствора разных типов почв колеблется от 2,5 (кислые сульфатные почвы) до 8—9 и выше (карбонатные и засо­ ленные почвы), достигая максимума в щелочных солонцах и содовых солончаках (10—11).

Наиболее низкими концентрациями и кислой реакцией ха­ рактеризуются почвенные растворы подзолистых и болотных почв таежной зоны (табл. 26). Концентрация их составляет несколько десятков миллиграммов на 1 л раствора при рН от 5 до 6. Содер­ жание основных катионов и анионов измеряется единицами или десятками мг/л. Примерно такие же количества главных компо­ нентов почвенного раствора характерны и для сильно выщело­ ченных почв влажных тропиков и субтропиков. Содержание орга­ нического углерода в почвенных растворах таежной зоны дости­ гает нескольких десятков миллиграммов на 1 л; под хвойными ле­ сами это растворенное органическое вещество в основном пред­ ставлено фульвокислотами. С глубиной количество органического вещества в жидкой фазе почвы постепенно уменьшается, что говорит о закреплении мигрирующих воднорастворимых веществ в почвенном профиле. Вместе с органическим веществом мигри­ рует и железо (в двух- и трехвалентной форме). Железоорганические комплексы присутствуют в почвенных растворах в широ-

155

Т а б л и ц а 27. Содержание различных форм железа в почвенном растворе сильноподзолистой почвы под ельником Московской области

(И. С. Кауричев, Е. М. Ноздрунова, 1964): у—весной, х — осенью

ком диапазоне рН. В почвенных растворах примерно 80—95% железа прочно связано в органоминеральные комплексы. Это хорошо иллюстрируется данными табл. 27, где показано, что и весной, и осенью в почвенных растворах подзолистой почвы явно доминирует железо, связанное с органическим веществом.

В степных почвах (черноземах, солонцах и др.) концентрация почвенных растворов существенно выше, чeм в подзолистых и болотных почвах (не десятки, а сотни миллиграммов 1—3 г/л). В связи с более высокой биологической активностью этих почв в них существенно повышается содержание гидрокарбонатного иона, реакция становится нейтральной или слабощелочной. Более высокое поступление химических элементов с высокозоль­ ным опадом травянистых степных растений обеспечивает повы­ шение концентрации и других катионов и анионов (кальция, маг­ ния, хлора, сульфат-иона). В солодях и особенно в солонцах резко возрастает количество иона натрия, появляется ион СО32—, что обеспечивает в солонцах, в частности, щелочную реакцию почвенных растворов. Максимальное содержание солей (до де­ сятков и сотен граммов на 1л) наблюдается в почвенных раство­ рах солончаков. Концентрация солей в почвенных растворах солончаков в несколько раз превышает их содержание в морской воде.

Если для большинства почв характерен гидрокарбонатнокальциевый состав почвенных растворов (преобладание этих двух ионов), то в почвенных растворах засоленных почв преобла­ дающая доля принадлежит хлоридам и сульфатам магния и натрия.

Для характеристики степени и характера засоления почв ши­ роко применяется анализ водной вытяжки. Этот вид анализа дает возможность проводить массовые определения и в то же время позволяет выделять из почвы максимальные количества солей, находящихся в том числе и в виде осадка в твердой фазе почвы. Водная вытяжка (отношение воды к почве 5:1) раство-

157