Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

Рис. X.8. Схема гидрологических процессов в почве и на ее границах

Вначале рассмотрим водный баланс колонки почвы определеннойвысоты,ккоторойнетбоковыхпритоковиоттоков,какпоповерхности, так и внутрипочвенных. Эта задача называется одномерной задачей, так как мы рассматриваем лишь одно пространственное измерение по глубине почвы.

Итак, положительными составляющими водного баланса, или его приходными статьями, являются осадки, количество воды, поступившейснижнейграницыпочвы,конденсацияпарообразнойвлаги.Расходными количествоиспарившейсяитранспирированнойрастениями воды, количество влаги, проникшей за пределы рассматриваемой колонки почв. Итогом соотношения указанных составляющих за определенный период будет изменение влагозапасов в рассматриваемой колонке почв ( ЗВ):

(осадки + притекающая влага + конденсация) (испарившаяся влага + транспирированная влага + оттекающая внутрипочвенная влага) = ЗВ.

Соответственно если складывается баланс положительный (+ ЗВ), то почва увлажняется, если отрицательный ( ЗВ) она иссушается.На этихпринципах построены многочисленныегидрометеорологические коэффициенты, характеризующиевлагообеспеченность территории как отношение осадков к испарению (или испаряемости), осадков к внутрипочвенному оттоку влаги и др.

Нередко составляющие баланса влаги рассматривают в виде потоков воды, т.е. уже учитывают период наблюдений. Тогда вместо осадковиспользуютинтенсивностьосадков(Рr),вместоиспарившейся и транспирированной воды испарение (Е) и транспирацию (Тr), приток и отток воды на нижней границе почвы (Qin и Qout), интенсивность конденсации (K). Соответственно размерности всех составляющих в этом случае будут: мм водн. слоя/сут, см водн. слоя/сут и т.д. Уравнение будет выглядеть следующим образом:

(Рr + Qin +K) (E + Тr + Qout) = d(ЗВ)/dt,

где t время (cут).

2.2. Оценка некоторых составляющих водного баланса

2.2.1. Испарение с поверхности почвы. Транспирация

Различные формы выражения и виды транспирации нам знакомы (часть IX). Уточним некоторые понятия, касающиеся испарения.

Испарение влаги (Е) – процесс, при котором почвенная влага переходит из жидкого состояния в газообразное. Если вода переходит из твердого состояния (лед) непосредственно в газообразное, то этот процесс называют сублимацией, но в балансе также относят к испарению. Иначе говоря, испарение потеря воды из почвы в газообразном состоянии. Выражается в виде потока влаги в единицу времени [см/сут, мм/час и др.]. Иногда для того чтобы отделить испарение от транспирации, используюттермин«Испарениефизическое»,которыйподчеркивает,что испарение происходит с поверхности почвы или капельно-жид- кой влаги с поверхности листьев, но не через устьица, а именно слистовойповерхности.

Испаряемость (Е0) – количество воды, испаряющееся в данныхусловияхсоткрытойводнойповерхностибольшойплощади вединицувремени.

Суммарное испарение (эвапотранспирация) сумма испа-

ренияфизическогоитранспирации.

Рис.Х.9. Изменение относительного испарения влаги из почвы (Е/Е0) в зависимости от времени (а) и влажности почвы (б)

Наиболее важен и интересен процесс испарения влаги из почвы. Если исследовать испарение влаги из предварительно насыщенной почвеннойколонки, тосначала испарениебудетравноиспаряемостиивеличина Е/Е0 будет близка к единице, возможно, даже ее несколько превышать. Превышение возникает за счет того, что вода на шероховатой поверхностипочвынебудетстрогогоризонтальна,будутвыраженымениски, из которых испарение выше. Через некоторое время по мере иссушенияповерхностипочвыиспарениеначнетзаметноснижаться величинаЕ/Е0 начнетстремительнопадать. Аеще черезнекотороевремя, снизившисьдосотыхдолей,асимптотическиначнетприближатьсякоси времени (рис. X.9, а). Динамика испарения имеет отчетливо выделяющиесятрифазы.Онизаметныиприанализезависимостиотносительного испарения от влажности почвы: первая фаза от водовместимости до величин, несколько превышающих НВ. Вторая примерно соответствует диапазону от НВ до ВРК, а третья при влажности менее ВРК, когда практически отсутствует быстрое капиллярное восходящее движение,испарениеплавностремитсякнулю(рис.X.9,б).

Итак, процессу испарения влаги из почвы свойственны три характерные фазы:

1-я фаза «интенсивного испарения». Здесь испарение определяется только метеоусловиями. Для этой стадии справедливо уравнение Дальтона, связывающее испарение с влажностью воздуха (w) и пара-

метрами, отражающими скорость ветра и градиент температуры (Dd):

E a Dd (w0 wz ) ,

где w0 , wz и a влажность и плотность воздуха на поверхности почвы и высоте z, Dd коэффициент скорости обмена, зависящий от скорости ветра и вертикального градиента температуры.

Так как на этой фазе испарение зависит от метеопараметров (в основном от температуры и влажности воздуха), нередко его рассчитывают и по эмпирическим формулам для длительных промежутков времени. Примером такого рода уравнений может служить уравнение Н.Н.Иванова для расчета среднемесячного испарения: E = 0.0018(T + 0.25)2 (1 – w), где Т среднемесячная температура воздуха,w среднемесячнаяотносительнаявлажностьвоздуха.Имеется и ряд формул, позволяющих рассчитывать испарение на этой стадии (фактически испаряемость) по данным о тепловом и радиационномбалансахповерхностипочвы.

2-я фаза «убывающего испарения». Наблюдается при иссушениитонкогоповерхностногослояпочвы.Испарениепроисходиту нижнейграницыпросохшегослоя.Наэтойфазеиспарениеопределяетсяскоростьюподтокаводыкповерхностииспарения,т.е.гидрофизическими свойствами почвы, а также (значительно в меньшей степени) и метеоусловиями. Динамику испарения на этой фазе нередко описывают с помощью достаточно простого уравнения:

E 12 Det 12 ,

где De величина, обычно называемая коэффициентом десорбции. 3-я фаза фаза «низкого испарения». На этой фазе восходящее движение влагипрактически прекращается.Происходит увеличение толщины просохшего слоя медленно иссушаются все более глубо-

кие слои почвы.

Естественно желание использовать отмеченные закономерности,вчастности,искусственнымобразомперевестииспарениеизпервой на третью стадию, быстро понизить испарение. Этого можно достичь с помощью специального приема мульчирования поверхности почвы. Мульчирование покрытие поверхности почвы разнообразнымиматериаламиорганическогоинеорганическогопроисхождения (солома, торф, пленки и пр.) для снижения потерь почвенной влагинаиспарение,атакжедлярегулированиятемпературы,борьбы с сорняками. В данном случае важно то, что с помощью создания на поверхностисухогомульчирующегослояизрыхлогоматериалапрактически сразу испарение переводят из первой (свойственной обнаженной почве) в третью (свойственную сухой мульче) фазу. Это значительноснижаетиспарение,таккакиспарениеужебудетпроисходить по-другому, прежде всего в отношении первой стадии.

На рис. X.10 представлена зависимость испарения от влажности почвы при обнаженной поверхности и покрытой мульчой.

E

I стадия Обнаженная

почва

IIII

Мульчированная

III

W

Рис.Х.10. Зависимость испарения с поверхности обнаженной и мульчированной почвы

Наглядновидно,чтоснижениеиспаренияпроисходиттольковобластивлажнойпочвы,т.е.мульчированиеэффективнолишьпривысокой влажностипочвы.Именнопоэтомуэффективностьмульчированиякак мероприятия для сохранения влаги в почве высока лишь для влажныхпочв.

2.2.2. Внутрипочвенный отток

Эта составляющая водного баланса почв наиболее трудно измеряема. Однако в гидрологическом цикле эта составляющая чрезвычайноважна:именноеевеличинаопределяетпополнениегрунтовых вод.Наиболеераспространеннымметодомизучениявнутрипочвенного оттока влаги является лизиметрический метод. Лизиметр специальный прибор, или стационарное сооружение, для учета и сбора почвенного раствора, в том числе и внутрипочвенного, гравитационно стекающего. Устройство представляет собой поддон, устанавливаемыйна определенной глубине,вкоторомсобираетсягравитационный сток (рис.Х.11, а). Количество (а в случае необходимости, и химический состав) этого стока регистрируется. В полевых исследованиях это простое устройство, состоящее из поддона, вставленного в стенку почвенного разреза и соединенного со сборной емкостью. Последняя соединена трубкой с поверхностью, так что всегда имеется возможность отобрать и измерить скопившиеся в емкости лизиметрические воды (рис.Х.11, а). Стационарные лизиметры это уже инженерные сооружения, где почвенный монолит высотой 1 2 м и площадью поверхности более 0.5 кв.м устанавливают на специальную большую воронкуспесчано-гравийнымнаполнением,котораясоединенасемко- стью для сбора внутрипочвенной стекающей влаги (рис.Х.11, б).

Рис. Х.11. Схемы полевых встроенных в почвенный профиль лизиметров (а) и стационарных больших лизиметров (б)

В случае водно-балансовых исследований нижней границей служат либоглубинаустановкилизиметра,либонижняяграницапочвенного монолита в стационарных лизиметрах. Следует только учитывать, что данные о внутрипочвенном стоке, получаемые с помощью полевых лизиметров, несколько завышены, так как встроенный в почву лизиметр собирает воду не точно из объема почвы над своей поверхностью, а из несколько большего объема почвы за счет и бокового притока(рис.Х.11,а),изначениявнутрипочвенногооттокавлагибывают завышены. Впрочем, нередко и большие стационарные лизиметры несколько искажают реальную динамику внутрипочвенного стока за счет так называемого «пристенного эффекта» быстрой фильтрации влаги по мелким трещинам между почвенным монолитом и стенкой лизиметра. С помощью различных процедур удается минимизировать этот эффект.

От каких факторов зависит величина внутрипочвенного оттока влаги? Безусловно, во-первых, от количества поступающих на поверхность почвы осадков.Конечно же,во-вторых, отпроводящих и водоудерживающих свойств почвы. Чем выше проводимость почвы и меньше ее водоудерживающая способность, тем больше будет выражен внутрипочвенный отток при одних и тех же осадках. Например,впесчаных быстрофильтрующихислабоудерживающих

глубокая мелиоративная

обычная вспашка

осадки

Рис. Х.12. Динамика осадков и внутрипочвенного оттока влаги в дерновоподзолистых почвах при обычной и глубокой мелиоративной вспашке (по данным А.Б.Умаровой, 2002)

влагу почвах внутрипочвенный сток будет значительно выше, чем всуглинистыхс высоким водоудерживаниеми невысоким (посравнениюспесчаными) коэффициентомфильтрации.

И, в-третьих, что не столь очевидно, – от свойств поверхностного слоя и строения профиля. Если изменить свойства поверхностного слоя почвы, это отразится и на глубинном оттоке влаги из этой почвы. Рассмотрим этот тезис на конкретном примере. В установке больших (площадью поверхности 9 м2 и глубиной 1.5 м) лизиметров на Почвенном стационаре МГУ имеются рядом расположенные варианты дерново-подзолистой пахотной почвы и почвы, в которой иллювиальныйгоризонтВнаходитсянаповерхности,агумусовыйА, напротив,погребеннанекоторуюглубину.

Такаяперестановкаслоевпроисходит,например,принекоторых видах глубокой мелиоративной вспашки. Наблюдения за глубинным оттоком велись более 30 лет начиная с 1961 г., года закладки лизиметров. На рис.Х.12 приведены динамики внутрипочвенного стока дерново-подзолистыхпочв приобычной вспашкеи приглубокой мелиоративной вспашке. Отчетливо видно, что дерново-подзолистые почвы, у которых на поверхности расположен глинистый, трещиноватый, с призматической структурой горизонт В, после выпадения осадков начинают фильтровать воду раньше и величина внутрипочвенного оттока здесь заметно выше.

Такимобразом,изменяясвойствалишьповерхностногогоризонта, слоя почвы, мы тем самым изменяем и внутрипочвенный отток

влаги, изменяем и гидрологические потоки в ландшафте. Это очень важныйфакторизменениягидрологииразличныхводосборов,который необходимо учитывать при различного рода обработках почвы.

2.2.3. Конденсация

Под конденсацией влаги обычно имеют в виду процесс перехода влаги из парообразного состояния в жидкое при охлаждении воздуха до точки росы. Напомним, что точка росы это температура воздуха, при которой происходит фазовое превращение воды из пара в жидкость. Она существенно зависит от влажности воздуха (точнее,отупругостиводяногопара)иатмосферногодавления.Учитывая то, что атмосферное давление слабо меняется, достижение точки росы определяется прежде всего понижением температуры и влажностью воздуха. Например, при влажности воздуха 30% (упругость водяного пара составляет около 1.545 см водн. ст.) температура точки росы составляет 13.2°С. А при влажности около 40% – уже при 17.8 °С начнет выпадать роса. Учитывая, что влажность воздуха практически всегда выше этой величины, можно было бы ожидать значительноговкладапроцессовконденсациивлагивположительные статьи водного баланса. Однако максимальное количество росы, котороефактическирегистрировалось, этоменее0.05смзаоднуночь, а за год не более нескольких десятков см водного слоя. Очень малое количество. И все же процесс конденсации чрезвычайно важен, особенно в пустынных районах с песчаными почвами.

То, что наблюдается в виде росы на листьях растений, может иметь два основных источника: это 1) конденсация водяного пара из атмосферы и 2) гуттация (выделение капель) на определенных частяхлистьев.Последний этофизиологическийпроцесс,связанныйс корневымдавлениемвлаги,нонесконденсациейвлаги.Поэтомутолько росообразование может быть значимой физической составляющейводногобаланса.Физическимипредпосылкамиобразованияросы служит следующая последовательность атмосферных явлений: если в ночное время небо ясное, ветер слабый, то открытые поверхности начинают выделять тепло, охлаждаться и температура их становится ниже температуры точки росы. При высокой влажности воздуха этатемпературадостигаетсяраньшеирособразованиезаметнобольше по количеству. Ограничивать росообразование может поступлениетепласнизу,т.е.теплопроводностьповерхностныхслоевпочвыи припочвенноговоздуха.Подчеркнем,чторосообразование процесс, происходящий в приземном слое, как правило, на надземных частях растений, его следует отличать от внутрипочвенной конденсации.

«Квопросу о»

Конденсация влаги в почве

Казалосьбы,значениепроцессаконденсациивбалансепочвеннойвлаги и вправду невелико: если что-то и конденсируется в поверхностных слоях почвы в холодную ясную погоду, то уже при первых лучах яркого солнца быстро и испаряется. Но ведь нередко в пустынных или подгорных районах бывают резкие перепады и влажность воздуха столь высока, что чистая конденсированная водаутром прямо-таки дождемкапает с листьев, ветокрастений. Издавна люди стремились использовать эту воду, сохранить в почве. Поэтому во многих районах мира существуют простые, но очень эффективныеи, каксейчасбысказали, экологичныеспособысобратьисохранитьсконденсированную за ночь влагу. Например, в Дагестане поступают следующим образом. Наполе собирают кучкикамней, выстраивая небольшие пирамиды. Камни за ночьоченьбыстро остывают, наних конденсируется большое количество воды, которая легко стекает между ними и впитывается в почву. А вот днем эта впитавшаяся вода не может быстро испариться из почвы, так как каменная пирамидка играет роль мульчи, предохраняя от быстрого испарения. Таким способом не только накапливают воду в почве, но и отмывают почву от легкорастворимых солей, т.е. рассоляют солончаки. Не правда ли, оченьпростой, оригинальный иэффективныйспособ?

Авотвнутрипочвеннаяконденсация образованиежидкойфазыводы при охлаждении почвенного воздуха до точки росы. И, казалось бы, эта составляющая может иметь немаловажное значение в балансе влаги почвы. Ведь влажность почвенного воздуха всегда высока (редко менее 98% соответствующей влажности почвы при максимальной гигроскопичности, чаще >98%), почва может быстро охлаждаться за счетповышеннойтеплопроводностиповерхностныхболеесухихслоев. Однако, как правило, подток тепла из нижележащих слоев ограничивает конденсацию,и,кроме того, все, чтосконденсировалось наповерхности почвы с появлением солнца, быстро с этой поверхности и испаряется. В итоге весьма небольшое количество дополнительной влаги в почве за счет конденсации. Для того чтобы это количество было заметным, необходимы следующие условия:

почвенные: почва должна быстро остывать и быстро проводить образовавшуюся сконденсированную влагу в нижележащие слои. Этим условиям удовлетворяют песчаные почвы;

метеорологические: ясное небо в ночные часы, заметная разница температур между дневными и ночными часами, а также между сезонами, повышенная влажность воздуха. Этим условиям удовлетворяютпустынныеконтинентальныерайоны.Заметнаконденсация и в мерзлых почвах.

Итак,конденсациявлаги заметнаясоставляющаяводногобаланса в пустынных районах с резко континентальным климатом, в песчаныхимерзлыхпочвах.Однакоразнообразиеисложностьэтогоявления предоставляют огромные возможности его использования, неожиданныеипростыерешениядлясбораконденсированнойвлагииееупотребления (см. «К вопросу о.»: «Конденсация влаги в почве»).

Следует иметь в виду и высокую конденсацию в случае промерзания верхних слоев почвы, особенно опять-таки песчаных с высокой паропроводностью. Нередко отмечается значительная перегонка водяного параотгрунтовыхвод,залегающихнаглубине4 6мк поверхностным слоям, где они, конденсируясь, образуют ледяной песчаник.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Определениеводногорежима: «Водныйрежимпочв этопроцессы поступления влаги в почву, ее перераспределения и расходования». Это определение и классификация на его основе типовводныхрежимоввосновномхарактеризуютгенезиси эволюцию почв, связанную с водным режимом. Для количественного анализа, сравнения и оценки необходимо рассматривать водныйрежимпочвкакпослойнуюдинамикусодержанияводы (или давления влаги) в исследуемой почвенной толще, выраженную с учетом изменения ее состояния в виде почвенногидрологических констант. В этом случае удается более детально оценивать водный режим не только в отношении эволюциипочв,ноиеедоступностидлярастений,наличияпериодованаэробиозаипр.

2.Хроноизоплеты – это карта влажности в координатах Y–X: «глубина»–«время»слиниямиравныхзначенийвлажности(дав- ления влаги), на которой добавочно нанесены линии с почвен- но-гидрологическими константами с учетом их изменения по слоям. Выделяют зоны с влажностями более (ПВ–10%) зона недостатка почвенного воздуха, от (ПВ–10%) до НВ диапазонсвободнойгравитационнойвлаги,от НВдо0.7НВ диапазон доступной капиллярной влаги, от 0.7НВ до ВЗ диапазон малодоступнойкапиллярно-пленочнойвлагиименьшеВЗ– недоступная пленочная влага или с давлениями влаги (в едини-

цахpF): pF<1.7,1.7-3.0,3.0-4.18и>4.18(рекомендуемые).Эти диапазоны соответствуют характерным состояниям влаги от анаэробиоза до почвенной засухи. Величина и расположение этихзоннакартехроноизоплетуказываютнахарактерныеособенности водного режима исследуемой почвы.