Формы почвенной влаги и почвенно-гидрологические константы

Роль почвенной влаги в почвообразовании исключительно велика. Не менее важное значение имеет почвенная влага как фактор плодородия почв, а отсюда и как фактор сельскохозяйственного производства. Исходя из этого, вытекает весьма важная задача мелиорации – регулирование водного режима и водного баланса почв.

Проведение гидротехнических мелиорации (орошение, осушение, двустороннее регулирование водного режима) всегда должно увязываться с содержанием и доступностью влаги в почве, т.е. обусловливаться степенью ее связи с почвой, количественным и качественным соотношением различных ее форм. Поэтому четкое представление о формах воды в почве, границах отдельных ее категорий, в пределах которых вода обладает одинаковыми свойствами, важно не только в теоретическом плане, но и в практическом отношении.

В почве вода находится в различных состояниях и формах, а следовательно, обладает различной степенью доступности для растений.

Согласно взглядам А.А. Роде, наиболее полно обобщившим все предыдущие исследования по этому вопросу, различают следующие категории (формы) почвенной воды:

1) Химически связанная:

а) конституционная;

б) кристаллизационная;

2) Парообразная вода;

3) Физически связанная или сорбированная вода:

а) прочносвязанная вода;

б) рыхлосвязанная (пленочная) вода;

4) Свободная вода:

а) Капиллярная вода:

– капиллярно-подвешенная;

– капиллярно-подпертая;

– капиллярно-посаженная (подперто-подвешенная вода);

б) Гравитационная вода:

– просачивающая;

– грунтовая;

5) Твердая вода – лед.

Химически связанная вода находится в почве в составе гидратных минеральных, органоминеральных и органических веществ. Ее количество невелико и лишь иногда может достигать от 5 % до 12 %, что указывает на значительное содержание в почве выветривающихся силикатов и алюмосиликатов. Эта вода подразделяется на конституционную и кристаллизационную, объединяемых иногда общим понятием гидратной или кристаллогидратной воды.

Конституционная вода является компонентом химического состава минералов, соединений, входя в них в виде гидроксильной группы ОН^– (гидроксиды железа (Fe(OH)₃, лимонит алюминия – Аl(ОН)₃, гиббсит марганца – МnО(ОН), манганит; органоминеральные соединения; глинистые минералы). Выделяется эта вода в интервале высоких температур порядка от 165 °C до 175 °C, а для некоторых фракций воды от 400 °C до 800 °C в зависимости от состава вещества и сопровождается его распадом.

Кристаллизационная вода входит в состав вещества целыми водными молекулами кристаллогидратов (медный купорос – CuSО₄×5H₂О, гипс – CaSО₄×2H₂О, глауберова соль (мирабилит) – Na₂SО₄×10Н₂О и т.д.). Удаляется при нагревании от 100 °C до 200 °C. У гипса, например, первая молекула воды удаляется при 107 °C, а вторая – при 140 °C – 190 °C. Удаление кристаллизационной воды не приводит к распаду вещества, но изменяет физические свойства.

Химически связанная вода (конституционная, кристаллизационная), отличаясь исключительно высокой прочностью связей и полной неподвижностью, не участвует в почвенных процессах и растениям недоступна.

Парообразная вода – это водяной пар порового пространства почвы. Относительная влажность почвенного воздуха почти всегда близка к насыщению ее парами воды, и уже при влажности почвы свыше ее максимальной гигроскопичности практически равна 100 %. Всякое понижение температуры приводит к конденсации парообразной воды и переводу ее в жидкое состояние, повышение температуры приводит к обратному процессу. Передвижение парообразной воды в поровом пространстве почвы обусловливается упругостью пара (от участков с высокой упругостью водяного пара к участкам с более низкой упругостью), а также вместе с током воздуха. Парообразная вода недоступна растениям, но ее наличие в почве важно в том плане, что она препятствует просушиванию корней растений.

Физически связанная вода. Эта категория воды в почве определятся силами поверхностной энергии почвенных частиц. Поскольку ее величина возрастает с увеличением общей суммарной поверхности частиц, то содержание физически связанной воды зависит от размера минеральных элементов, слагающих почву, и наиболее сильно выражена у илистых и коллоидных частиц.

При соприкосновении частиц почвы с водой, молекулы последней притягиваются этими частицами за счет сил сорбции и образуют вокруг них пленку из нескольких слоев молекул воды. Обладая дипольностью (частицы с двумя противоположно заряженными полюсами) молекулы воды притягиваются не только поверхностью почвенных частиц, но и взаимодействуют друг с другом противоположно заряженными полюсами, находясь в строго ориентированным положении. Естественно, что прочность связи молекул воды у поверхности почвенных частиц очень высока, достигая 17 – 37 тыс. атмосфер и значительно снижается по мере удаления от них. Исходя из этого, физически связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода – это вода, которая поглощается почвой из парообразного состояния. Способность почвы сорбировать пары воды из воздуха называется гигроскопичностью, а образуемая при этом влага – гигроскопической влагой (ГВ). Прочносвязанная вода обладает особыми физическими свойствами, приближаясь к твердым телам. Плотность ее достигает от 1,5 г/см³ до 1,8 г/см³, она не замерзает, неподвижна и не доступна растениям.

Предельное количество воды, которое поглощается почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха от 94 % до 98 %, называют максимальной гигроскопической водой (МГ). Это прочносвязанная вода. Осмотическое давление в самом поверхностном слое при насыщении почвы до МГ составляет около 50 атм. Растениям (кроме некоторых солянок, у которых осмотическое давление клеточного сока в корнях может достигать 70 атм) эта вода недоступна.

Гигроскопическая и максимально гигроскопическая влага удаляются из почвы нагреванием до 105 °C.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода. Почва, насыщенная влагой до максимальной гигроскопичности, больше не поглощает парообразную воду, но при соприкосновении с жидкой водой происходит притягивание ее молекул силой ориентированных молекул прочносвязанной воды (ГВ и МГ). Добавочная вода сверх МГ, которая удерживается в почве сорбционными силами жидкой фазы, является водой пленочной или рыхлосвязанной. Находясь в почве как бы в вязкожидкой форме, пленочная вода может, хотя и очень медленно (со скоростью несколько десятков сантиметров в год), передвигаться от почвенных частиц с толстыми водяными пленками к частицам с тонкими пленками. В связи со слабой мобильностью и довольно высоким давлением, которым эта вода удерживается почвой, она очень трудно усваивается растениями и может соответствовать влаге завядания (ВЗ) растений. Верхний предел ВЗ измеряется величинами в пределах 1,2 – 2,5 МГ (в среднем 1,5 МГ) с напряжением влаги (т.е. силами удерживающими воду) в 15 – 20 атм, что практически соответствует сосущей силе корней (14 – 16 (25) атм). При этом следует различать завядание растений временное, легко устранимое и длительное (глубокое), приводящее к гибели растений (<1,2 – 1,5 МГ). Рыхлосвязанную (пленочную) влагу, удерживаемую молекулярными силами ориентированных молекул прочносвязанной воды, очень часто называют максимальной молекулярной влагоемкостью (по А. Ф. Лебедеву).

Свободная вода. Эта категория воды не связана силами притяжения с почвенными частицами и передвигается под действием капиллярных и гравитационных сил и, исходя из этого, выделяют форму капиллярной и форму гравитационной воды.

Капиллярная вода. Ее наличие и распределение в почве находится под влиянием капиллярных (менисковых) сил, которые проявляются в порах от 3 мкм (0,003 мм) до 8 мм.

В порах менее 3 мкм и крупнее 8 мм капиллярные силы не проявляются, поскольку более тонкие поры заняты связанной водой, а в порах крупнее 8 мм отсутствуют менисковые силы. Образование менисковых сил обусловлено тем, что вода, находящаяся в отмеченных поровых пространствах, испытывает одностороннее притяжение лишь со стороны нижерасположенных молекул воды, которые как бы втягивают поверхность воды внутрь, образуя вогнутый мениск, над которым создается разряжение (вакуум), что и способствует подъему столбика воды в капилляре.

По своему физическому состоянию эта вода жидкая, она обладает высокой подвижностью и играет основную роль в водообеспечении растений. Передвигаясь, она транспортирует с собой и питательные вещества почвы.

Различают несколько видов капиллярной воды:

а) капиллярно-подвешенную – отсутствие гидрологической связи с постоянным или временным водоносным горизонтом;

б) капиллярно-подпертую – образуется в почвах в силу близкого залегания грунтовых вод, подпирающих воду в капиллярах и более крупных порах почвы;

в) капиллярно-посаженную – образуется в почве при резкой смене слоев разного гранулометрического состава. На границе раздела этих слоев в силу различных размеров капилляров возникают дополнительные нижние мениски, которые удерживают вышерасположенную капиллярную воду (она как бы «посажена» на эти мениски). Это приводит к повышению влажности на контакте слоев.

Гравитационная вода находится в почве преимущественно в крупных порах и передвигается исключительно под влиянием силы тяжести. Эта жидкая форма воды, обладающая высокой растворяющей способностью и возможностью переносить в растворенном состоянии соли, коллоидные растворы и т.д. Эта вода легко доступна для растений (ее осмотическое давление менее 0,5 атм), в случае проточности грунтовой воды она может быть источником их нормального водного питания.

Твердая вода – лед является потенциальным источником жидкой и парообразной воды при его таянии. Превращение воды в лед при пониженных температурах играет большую роль в почвообразовательных процессах (структурообразование, наличие временных и постоянных водоупоров и т.д.). Различные категории воды в почве имеют неодинаковые точки замерзания. Так, свободная вода в незасоленной почве замерзает при отрицательных температурах, близких к 0 °C, капиллярная вода – до десятков градусов, а прочносвязанная (МГ) не замерзает и при -78 °C. Лед является особой разновидностью свободной воды. Рассмотренные ранее категории (формы) почвенной воды довольно условны, тем не менее можно выделить интервалы влажности, в пределах которых какая-то часть влаги обладает одинаковыми свойствами и степенью ее доступности для растений. Границы значений влажности, характеризующие пределы появления различных категорий и форм почвенной влаги, называются почвенно-гидрологическими константами. А.А. Роде рассматривает их как точки на шкале влажности почвы, при которых количественные изменения в подвижности влаги переходят в ее качественные отличия. Выделяют пять основных почвенно-гидрологических констант, которые широко применяются в агрономической и мелиоративной практике:

1) максимальная гигроскопичность (МГ);

2) влажность завядания (ВЗ);

3) влажность разрыва капилляров (ВРК);

4) наименьшая влагоемкость (НВ);

5) полная влагоемкость (ПВ).

Максимальная гигроскопическая влажность (МГ). По ее величине определяют влажность завядания растений – нижний предел физиологически доступной для растений воды. Как уже отмечалось выше, для расчета влажности завядания используют коэффициенты в пределах от 1,2 до 2,5. Величина коэффициента зависит от вида растений и от условий их выращивания. Определение величины максимальной гигроскопической влажности проводят по методу А.В. Николаева, который основан на длительном (20 – 30 дней) поглощении почвенными частицами молекул воды в условиях атмосферы насыщенной водными парами (близко к 100 %) в замкнутом пространстве эксикатора с насыщенным раствором K₂SО₄.

Влажность завядания (ВЗ) – влажность, при которой растения начинают обнаруживать признаки завядания, не исчезающие при перемещении в атмосферу, насыщенную водными парами. Это нижний предел доступной для растений влаги. Величину влажности завядания используют в расчетах для вычисления активной (продуктивной) влаги. Кроме расчетного метода (умножение МГ на 1,5) в лабораторных условиях ее величину определяют методом проростков (вегетационный метод) или обезвоживанием почвы (по В.А. Францессону). Влажность завядания определяется свойствами почв и видом растительности. В песчаных почвах она колеблется в пределах от 1 % до 3 %, в супесчаных – от 4 % до 6 %, суглинистых – от 10 % до 12 %, глинистых – от 20 % до 30 %. В торфах влажность завядания достигает 60 % – 80 %.

Влажность разрыва капилляров (ВРК) – это нижний предел оптимальной для растений влажности, ниже которого нарушается сплошность движения воды по капиллярам и непрерывное ее поступление к корневым системам. При этом рост растений замедляется и их продуктивность снижается. По всем экспериментальным данным эта величина составляет в среднем 50 % – 60 % от наименьшей влагоемкости почв, но может повышаться и до 75 % – 85 % от НВ. Помимо свойств почв величина ВРК в значительной мере зависит от вида растений и от фазы их развития и в этом случае величина ВРК даже для одного вида, но в разные фазы роста, может значительно колебаться. Величину ВРК используют при расчете поливной нормы, где оптимальной считается влага, находящаяся в границах от ВРК (нижний предел оптимума) до НВ (верхняя граница оптимума влаги).

Наименьшая влагоемкость (НВ). Под НВ понимается наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги, которое почва способна удержать после ее обильного увлажнения и свободного стекания избытка влаги. Синонимами НВ являются:

1) общая влагоемкость (по Н.А. Качинскому);

2) предельная полевая влагоемкость (по А.П. Розову);

3) полевая влагоемкость (по С.И. Долгову).

Ее величина широко используется в агрономической и мелиоративной практике при расчете поливных и промывных норм, продуктивной влаги и ее дефицита в почве и т.д.

Под дефицитом влаги понимают разность между запасами при НВ и количеством влаги в изучаемом слое почвы в момент исследования, то есть естественной полевой влажностью – ЕПВ.

Исследованиями установлено, что для получения наивысшей продуктивности сельскохозяйственных культур необходима влажность почвы в пределах от 70 % до 100 % от наименьшей влагоемкости (т.е. это ВРК), ее снижение приводит к уменьшению урожайности и снижению качества продукции. Основным способом, препятствующим этому, является орошение.

Таким образом, знание величины НВ, правильное ее применение является главным условием рационального регулирования водного режима почв, в том числе и при орошении.

Полная влагоемкость (ПВ) или полная водовместимость – это наибольшее количество влаги, которое может содержаться в почве при заполнении всех пор водой. Это сумма прочносвязанной, рыхлосвязанной и свободной воды в почве. Такое состояние влаги характерно для болотных почв, для горизонтов залегания грунтовых вод, при избыточном поливе и т.д. ПВ, в зависимости от пористости, может колебаться от 30 % до 80 % веса (объема) почвы, в среднем составляет от 40 % до 50 %.

Контрольные вопросы

1 Водные ресурсы Земли и их формирование.

2 Формы почвенной влаги.

3 Почвенно-гидрологические константы.