Водные свойства почв. Почвенно-гидрологические константы

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Географичексий факультет

Кафедра ГИС (Геоинформационные Системы)

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: Водные свойства почв. Почвенно-гидрологические константы

Студента 1 курса Р.А. Савьюк

«Геоинформационные сиситемы»

Научный руководитель В.С. Аношко

МИНСК

2012 г.

Содержание

Введение

Глава 1. Формы (категории) и состояние почвенной влаги

Глава 2. Почвенно-гидрологические константы

Глава 3. Влагоёмкость, водопроницаемость, водоудерживающая способность почв

Глава 4. Доступность почвенной влаги растениям

Заключение

Список использованных истчоников

Введение

Вода - важнейший фактор в почвообразовании. Сам А.А. Роде говорил: «Нельзя познать почвообразовательный процесс, не познав законов, управляющих передвижением и повелением воды в почве и ее взаимоотношениями с остальными составными частями последней, главным образом с ее твердой частью». Вода необходима всем почвенным организмам, она поглощается корнями растений и принимает участие в процессах разрушения материнской породы, подстилающей почву. Благодаря воде происходит миграция и дифференциация химических элементов в почве.

А эти процессы напрямую связанны с состоянием почвы(Химически связанная, парообразная, физически связанная, свободная, твердая вода) с её свойствами (водоудерживающей способностью, влагоёмкостью, водоподъёмностью, потенциалом почвенной влаги, водопроницаемостью), ведь именно они определяют характер взаимодествий воды и почвы.

Все свойства почвенной воды сильно связаны между собой и взаимопроникают друг в друга. Водоудерживающая способность - удержание воды почвой имеет свою количественную характеристику, которой является другое свойство - влагоёмкость почвы. В свою очередь влагоёмкость, как поглощение и удержание воды, неразрывно связана с её водопроницаемостью, т.к. впитанная почвой вода накапливается и удерживается в опроеделённом количестве, что также связывает её и с самой водоудерживающей способностью.

Вода поступает в почву из атмосферных осадков, грунтовых вод, при образовании пара в воздухе, а так же в результате воздействия человека, т. е. полива, орошения и др.

Не менее важное значение имеет почвенная влага как фактор плодородия почв, а отсюда и как фактор сельскохозяйственного производства, ведь от воды в почве зависит растительный покров и произрастание культур, что является довольно сложным вопросом, т. к. для каждой культуры важны разные условия их “жизни”. Исходя из этого, вытекает весьма важная задача сельскохозяйственного регулирования 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, основными её свойствами, влажностью. Поэтому четкое представление о воде в почве, границах отдельных ее категорий, в пределах которых вода обладает одинаковыми свойствами, важно не только в теоретическом плане, но и в практическом отношении, а именно в выращивании потребляемой человеком еды.

Из всего сказанного легко понять, что проблема воды в почве очень актуальна, ведь связь «вода - растения» - неразрывна, как и важное следствие этого - связь «растения - жизнь человека».

Глава 1. Формы (категории) и состояние почвенной влаги

Вода в почвах очень неоднородна. Разные ее порции имеют разные физические свойства: термодинамический потенциал. теплоемкость, плотность, вязкость, удельный объем, химический состав, подвижность молекул, осмотическое давление и др. Эти свойства обусловлены характером взаимного расположения и взаимодействия молекул воды между собой и с другими фазами почвы -- твердой, газовой, жидкой, каждая из которых имеет в свою очередь различные физические формы или категории. Формы почвенной влаги - порции почвенной воды, обладающие одинаковыми свойствами.

В истории почвоведения было предложено много классификаций категорий воды, содержащейся в почве. Наиболее современной и полной является классификация, разработанная А. А. Роде (1965), которая приводится ниже. Согласно этой классификации в почвах можно различать следующие пять категорий (форм) почвенной воды.

1. Химически связанная форма - это вода, входящая в состав вторичных (глинистых) минералов.

Роль химически связанной воды особенно велика в засоленных почвах. В них содержание солей, кристаллизующихся с большим количеством химически связанной воды, может составлять 2-5 и даже 20-30 вес.%. В таких случаях почва удерживает значительные количества кристаллизационной воды. Из некоторых соединений химически связанная вода легко выделяется при температурах 20-25° (мирабилит); в случае гипса она начинает выделяться при температуре 60-65° С.

Химически связанная вода включает в себя конституционную и кристаллизационную.

Конституционная вода представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, марганца; органические и органоминеральные соединения; глинистые минералы), т.е. распадается на ионы.

Кристаллизационная вода представлена целыми водными молекулами кристаллогидратов, преимущественно солей (полугидрат - CaS04*Н2O, гипс - CaS04*2H20, мирабилит -- Na2S04*10H20). Конституционную и кристаллизационную воду иногда объединяют общим понятием гидратной или кристалло- гидратной воды.

Кристаллизационная вода по физическому состоянию является разновидностью твердой воды. Она неподвижна, растворяющим эффектом в отношении питательных веществ и солей не обладает и совершенно недоступна растениям. Она может быть выделена из почвы при более низких температурах, чем химически связанная. Например, из гипса вода выводится при нагревании его на протяжении 32 ч до температуры 82 °С. Как и химически связанная, эта форма воды полностью недоступна для растений.

Вторичные глинные минералы также содержат воду, входящую в состав их кристаллической решетки (в форме ОН-). Эта вода может быть полностью отдана лишь при воздействии температур порядка 165-175°, а для некоторых фракций воды -- 300-500° и выше. Сходной формой является вода, химически связанная в гидроокислах железа, алюминия, марганца или кремния.

Кристаллизационная вода по физическому состоянию является разновидностью твердой воды. Она неподвижна, растворяющим эффектом в отношении питательных веществ и солей не обладает и совершенно недоступна растениям.

Роль химически связанной воды особенно велика в засоленных почвах. В них содержание солей, кристаллизующихся с большим количеством химически связанной воды, может составлять 2-5 и даже 20-30 вес.%. В таких случаях почва удерживает значительные количества кристаллизационной воды. Из некоторых соединений химически связанная вода легко выделяется при температурах 20-25° (мирабилит); в случае гипса она начинает выделяться при температуре 60-65° С.

Недоучет существования больших количеств химически связанной и кристаллизационной воды, например в солончаках и тяжелоглинистых почвах, может служить источником серьезных ошибок при оценке запаса полезной влаги в почвах перед поливами. Так, при большой засоленности и загипсованности почв влажность даже порядка 25% (определяемая путем высушивания при 105° С) представлена главным образом кристаллизационной водой, физиологически недоступной для растений. В сильно гипсоносных почвах влажность следует определять методом сушки образцов при температуре 60-65° С.

2. Парообразная вода. Эта вода содержится в почвенном воздухе порового пространства в форме водяного пара. Одна и та же почва может поглощать различное количество паров воды из атмосферного воздуха, что зависит от упругости пара: чем она больше, т. е. чем ближе припочвенный воздух к состоянию насыщения водяным паром, тем больше количество парообразно поглощенной воды в почве. в виде водяного пара. Пары воды поступают в почву из атмосферы и постоянно образуются в самой почве при испарении жидкой воды. Поэтому относительная влажность почвенного воздуха всегда близка к 100%. Этот показатель напрямую связан с температурой почвы. Снижение температуры почвы ведет к увеличению насыщенности воздуха паром, его последующей конденсации и переходу в жидкое состояние.; при повышении температуры имеет место обратный процесс. Парообразная вода в почве передвигается в ее поровом пространстве от участков с высокой упругостью водяного пара к участкам с более низкой упругостью (активное движение), а также вместе с током воздуха (пассивное движение). При наличии в почве свободной жидкой воды в почвенном воздухе содержится максимально возможное (при данной температуре) количество молекул пара. Ночью вследствие конденсации пара в приповерхностных горизонтах почвы и соответственного понижения в этих местах его упругости происходит движение пара вверх. Днем это движение приобретает обратное направление. Также пар движется вместе с почвенным воздухом под воздействием температуры и влажности почвы. В связи с этим в почве отмечаются восходящий и нисходящий сезонный и суточный потоки водяного пара. Содержание парообразной влаги в почве составляет около 0,001 % от веса почвы.

3. Физически связанная (сорбированная) вода. Это вода, сорбированная на поверхности почвенных частиц, обладающих определенной поверхностной энергией за счет сил притяжения, имеющих различную природу. При соприкосновении почвенных частиц с молекулами воды последние притягиваются этими частицами, образуя вокруг них пленку. Удержание молекул воды происходит в данном случае силами сорбции, в основе которой лежит сила молекулярного притяжения. Она обусловлена свободной энергией молекул и ионов, находящихся на поверхности твёрдой фазы почвы. Чем сильнее степень раздробленности частиц и чем больше их общая поверхность, тем сильнее будут проявляться эти сорбционные силы.

Молекулы воды могут сорбироваться почвой как из парообразного, так и из жидкого состояния. 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. Она значительно снижается по мере удаления от них. Исходя из этого, физически связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную (слабосвязанную).

Прочносвязанная вода. Прочносвязанная вода - это вода, поглощенная почвой из парообразного состояния. Свойство почвы сорбировать парообразную воду называют гигроскопичностью почв, а воду, поглощенную таким образом, называют гигроскопической. Отсюда следует, что прочносвязанная вода в почве - это вода гигроскопическая. Она удерживается у поверхности почвенных частиц очень высоким давлением -- порядка (1-2) * 109 Па, образуя вокруг почвенных частиц тончайшие пленки. Высокая прочность удержания обусловливает полную неподвижность гигроскопической воды. Прочносвязанная вода не подчиняется законам гидростатики и в этом отношении сходна с твердым телом. Энергия связи этой воды с частицами породы настолько значительна, что её можно отжать и то лишь частично при давлениях, равных десяткам и сотням мегапаскалей. Её плотность очень высока, порядка 1,5--1,8 г/см3, эта вода не замерзает, не растворяет электролиты, отличается повышенной вязкостью и не доступна растениям.

Вообще Прочносвязанная вода неоднородна. По энергии связи молекул воды с частицами пород можно выделить по крайней мере три различные категории прочносвязанной воды.

Первую категорию можно назвать «водой углов и сколов поверхности кристаллической решетки». Эта категория прочносвязанной воды характеризуется наименьшей подвижностью и свойствами, резко отличными от свободной воды. Удалить ее можно только при температуре 150--300°C Вода углов и сколов поверхности кристаллической решетки составляет лишь небольшую часть гигроскопической влажности грунта.

Второй вид прочносвязанной воды -- это вода «ближней» гидратации ионов (преимущественно катионов), образующаяся при гидратации обменных катионов в результате электростатических (ион-дипольных) связей, возникающих между ними и молекулами воды. Эта вода более подвижна, чем вода первой категории, т. к. удаляется при температурах более 90--120°С.

Вода углов и сколов поверхности кристаллической решетки и вода «ближней» гидратации ионов суммарно составляет 1/10 часть от максимальной гигроскопической влажности почв. Нам пока неизвестно, как влияет на свойства почв каждый из этих видов прочносвязанной воды, но о суммарном влиянии их уже получены некоторые данные. Так, установлено, что их присутствие в глинистых, лёссовых и других связных почвах не снижает значительно прочности почв; ее величина остается близкой к максимальной. Это связано с тем, что обе описанные категории прочносвязанной воды не образуют вокруг частиц сплошную пленку воды, а располагаются «островами», приуроченными к наиболее энергетически активным местам частицы -- к сколам и ребрам кристаллической решетки; базальные поверхности глинистых минералов являются как бы «сухими» и могут непосредственно взаимодействовать между собой.

Следующий вид прочносвязанной воды располагается по базальным поверхностям глинистых минералов и взаимодействует преимущественно через водородные связи со структурными группами ОН и О их поверхности. Этот вид прочносвязанной воды может быть назван «водой базальных поверхностей глинистых минералов». Уровень энергетической связи воды базальных поверхностей глинистых минералов с частицами меньше, чем у первых двух видов прочносвязанной воды, но значительно больше, чем у рыхлосвязанной воды. Этот вид прочносвязанной воды характеризуется малой подвижностью и свойствами, отличающимися от свободной воды. С образованием воды базальных поверхностей глинистых минералов вокруг их частиц возникают сплошные пленки прочносвязанной воды. Величина связи между частицами уменьшается, и вследствие этого снижается прочность почв. При полном содержании всех видов прочносвязанной воды, т. е. при влажности, близкой к максимальной гигроскопичности, потеря прочности глинистыми почвами уже значительна.

Количество водяного пара, который сорбируется почвой, тесно связан с относительной влажностью воздуха, с которым соприкасается почва. Чем больше влажность, тем большее количество воды сорбируется почвой. При низкой относительной влажности воздуха (порядка 20--40%) имеет место сорбция воды непосредственно почвенными частицами с образованием моно -- бимолекулярного слоя. Дальнейшее увеличение относительной влажности воздуха обусловливает возрастание толщины водной пленки. Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха, близкой к 100% (94--98%), называют максимальной гигроскопической водой (МГ). При влажности почвы, равной МГ, толщина пленки из молекул воды достигает 3--4 слоев. На гигроскопичность почв и МГ оказывают существенное влияние свойства твердой фазы почв, и в первую очередь те из них, с которыми связана удельная поверхность почвенных частиц (гранулометрический и минералогический состав почв, степень их гумусирован- ности). Чем выше в почве содержание илистой и особенно коллоидной фракции, тем выше будет гигроскопичность почв и МГ. Ниже приведена максимальная гигроскопичность различных фракций покровных глин.

Размер частиц, мм	МГ %
0,01--0,005	0,4
0,005--0,004	1,1
0,004--0,003	1,5
0,003--0,002	1,9
0,002--0,001	5,1
0,001--0,0005	25,4

Гигроскопичность зависит ещё и от содержания гумуса. Поэтому почвы с более высоким его содержанием при одном и том же гранулометрическом составе всегда характеризуются большим значением максимальной гигроскопичности. В почвах минеральных максимальная гигроскопичность колеблется от 0,5-1% в слабогумусированных песках и супесях до 15-16% в сильногумусированных суглинках и глинах, а в торфах может достигать 30-50%.

Рыхлосвязанная (слабосвязанная) или плёночная. Рыхлосвязанная вода - вода, которая удерживается силами сорбции сверх максимальной гигроскопичности. И это правильно, так как почва не может поглощать сверх МГ парообразную воду, а жидкую, или близкую к ней по свойствам сорбирует и в большем количестве.

Рыхлосвязанная вода образуется на частицах поверх слоя прочносвязанной воды в виде дополнительной пленки, толщиной в несколько десятков молекул воды и удерживается молекулярными силами, причем наиболее прочно связывается слой воды, непосредственно прилегающий к адсорбированной воде. Такая плёнка имеет толщину, достигающую нескольких десятков и даже сотен диаметров молекул воды. По физическому состоянию рыхлосвязанная вода очень неоднородна, что обусловлено различной прочностью связи молекул различных слоев. Поэтому можно сказать, что она находится в вязкожидкой форме, т. е. занимает промежуточное положение между водой прочносвязанной и свободной, но по свойствам всё-таки ближе к свободной. Рыхлосвязанная (пленочная) вода в отличие от прочно-связанной может передвигаться в жидкой форме от почвенных частиц с более толстыми водяными пленками к частицам, у которых она тоньше, т. е. передвижение этой воды возможно при наличии некоторого градиента влажности и происходит оно очень медленно, со скоростью несколько десятков сантиметров в год. Однако содержание пленочной воды в почве определяется теми же свойствами почв, что и содержание максимальной гигроскопической. В среднем для большинства почв оно составляет 7--15%, иногда в глинистых почвах достигает 30-35 и падает в песчаных до 3-5%.

Рыхлосвязанная вода подразделяется на вторично ориентированную воду полислоев и воду, удерживаемую осмотическими силами.

Вторично ориентированная вода полислоев образуется вокруг частиц и адсорбированных ионов благодаря молекулярным связям, возникающим между молекулами прочносвязанной воды и молекулами воды, вновь поступающей в грунт. Она образует вокруг частиц как бы пленку и поэтому Д. Ф. Лебедев назвал ее «пленочной» водой. Этот вид связанной воды характеризуется малой связью с поверхностью, но по структуре и свойствам он отличается от свободной воды.

Температура замерзания вторично ориентированной воды полислоев --1,5°С. Она передвигается значительно медленнее по сравнению с капиллярным поднятием и падением гравитационной воды. По данным А. Ф. Лебедева, с повышением температуры скорость ее передвижения увеличивается.

Присутствие вторично ориентированной воды полислоев обусловливает способность грунтов к взаимодействию с другими предметами, которое выражается в их липкости.

Осмотическая вода, образуется в результате проникновения молекул воды из раствора в диффузный слой мицеллы, где концентрация ионов оказывается большей, чем в растворе. Эта вода наименьшего энергетического уровня связи. Она очень слабо связана с поверхностью, подвижность ее близка к подвижности свободной воды, по структуре и свойствам не отличается от последней.

Вода, удерживаемая осмотическими силами, трудно отделима от капиллярной воды, содержащейся в капиллярах малого диаметра. Присутствие в грунтах осмотической воды обусловливает их пластичность при определенном диапазоне влажности. Пластичность глинистых и лёссовых грунтов, а также почв начинается при влажности выше величины максимальной молекулярной влагоемкости, когда появляется осмотическая вода, и исчезает, когда в грунте помимо связанной воды появляется свободная вода.

4. Свободная вода. Вода, которая содержится в почве сверх рыхлосвязанной, находится уже вне области действия сил притяжения со стороны почвенных частиц (сорбционных) и является свободной. Отличительным признаком этой категории воды является отсутствие ориентировки молекул воды около почвенных частиц. В почвах свободная вода присутствует в капиллярной и гравитационной формах.

Капиллярная вода. Вода, удерживаемая в почве в порах малого диаметра, не превышающих 1мм, под влиянием молекулярных сил и сил поверхностного натяжения, получивших в данном случае название капиллярных сил. Возникают такие силы по следующим причинам. Поверхностный слой жидкости по своим свойствам отличается от ее внутренних слоев. Если на каждую молекулу воды внутри жидкости равномерно действуют силы притяжения и отталкивания со стороны окружающих молекул, то молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, и испытывают одностороннее, направленное вниз притяжение только со стороны молекул, лежащих ниже поверхности раздела вода - воздух. Силы, действующие вне жидкости, относительно малы и ими можно пренебречь. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости находятся под действием сил, стремящихся втянуть их внутрь жидкости. По этой причине поверхность любой жидкости стремится к сокращению, так как любая система стремится к компенсации свободной энергии (к форме сферы). Наличие у поверхностных молекул жидкости, ненасыщенных, неиспользованных сил сцепления является источником избыточной поверхностной энергии, которая также стремится к уменьшению. Это влечет за собой образование на поверхности жидкости как бы пленки, которая обладает поверхностным натяжением, или поверхностным давлением (давлением Лапласа), которое представляет собой разницу между атмосферным давлением и давлением жидкости.

Для различных жидкостей величина поверхностного натяжения колеблется от 16 до 75 эрг/см2. Понижение температуры заметно повышает поверхностное натяжение и наоборот. При колебании температуры в пределах 0-40° С вязкость воды изменяется в 2-3 раза, а поверхностное натяжение -- на 10% (табл. ниже). Это весьма резко сказывается на водном режиме почв и на пространственной миграции растворов солей и питательных веществ.

Температура и свойства воды

T, °С	Плотность, г/см3	Вязкость,	Поверхностное натяжение, дин/см
0	0,9999	1,78	75,6
10	0,9997	1,30	74,2
40	0,9922	0,65	69,6

Как следствие, натяжение зависит от формы водных частиц и от их диаметра. Нормальным давлением под плёнкой такой частицы считается давление, равное 1,07*109Па.

Из-за разницы давления под плёнкой и атмосферного давления поверхность воды может быть вогнутой или выпуклой.

Если давление жидкости меньше атмосферного, то поверхность имеет вид вогнутого мениска, поверхностное давление будет меньше нормального. Если это выразить в уравнении Лапласа то оно будет выглядеть так:

Р1=Ро - б(1/Ri+1/R2), где Р1 - поверхностное давление, Ро - нормальное давление, где б -- поверхностное натяжение, равное для воды 75,6-10Оі Н/м при 0°С, R1+R2 - радиусы кривизны поверхности жидкости.

Если же давление жидкости больше атмосферного, то поверхность будет выпуклой формы и уравнение такое:

Р1=Ро + б(1/R+1/R2)

При соприкосновении воды со стенками пор капилляров вследствие смачивания и действия электростатических сил в них образуются мениски тем большей кривизны, чем меньше диаметр капилляров. Менисковые силы начинают проявляться в порах с диаметром менее 8 мм, но особенно велика их сила в порах с диаметром от 100 до 3 мкм. В порах крупнее 8 мм капиллярные свойства не выражены, так как сплошной вогнутый мениск здесь не образуется и большая часть поверхности остается плоской, искривление ее наблюдается только у стенок. Если поры меньше 3 мкм, то мениски тоже не образуются, так как в таких порах как правило содержится уже связанная вода. Важно ещё то, что из-за этого поднимается только до определённого уровня - не выше 10 м. Это происходит ещё из-за соответствия данной величине атмосферного давления.

Образование менисков связано с ещё одним явлением. Силы притяжения, действующие между молекулами твёрдого тела и жидкости, заставляют её подниматься по стенке сосуда, что приводит к искривлению примыкающего к стенке участка поверхности. Это создаёт отрицательное капиллярное давление, которое в каждой точке искривленной поверхности в точности уравновешивает давление, вызванное подъёмом уровня жидкости. Оно создаётся ещё из-за следующего. Поры в почве образуют целую систему, другими словами мозаику капилляров различных размеров, в которых образуются мениски различной кривизны. В результате этого в почвах существует разность давлений не только под мениском и плоской поверхностью пленки натяжения, но и между поверхностью менисков разной кривизны. Такую разность поверхностных давлений и называют отрицательным капиллярным давлением.

Отрицательное капиллярное давление оказывает стягивающее действие на ограничивающие жидкость стенки. Это может приводить к значительной объёмной деформации высокодисперсных систем и пористых тел -- капиллярной контракции. Так, например, происходящий при высушивании рост капиллярного давления приводит к значительной усадке материалов

Гидростатическое давление в объёме жидкости при этом изменений не претерпевает.

Капиллярная вода подразделяется на несколько видов: капиллярно- подвешенную, капиллярно-подпертую, капиллярно-посаженную.

Капиллярно- подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почв сверху (после дождя или полива). При этом под промоченным слоем всегда имеется сухой слой, т. е. гидростатическая связь увлажненного горизонта с постоянным или временным горизонтом подпочвенных вод отсутствует. Вода, находящаяся в промоченном слое, как бы «висит», не стекая, в почвенной толще над сухим слоем. Поэтому она и получила название подвешенной.

В природных условиях в распределении капиллярно-подвешенной воды по профилю почв всегда наблюдается постепенное уменьшение влажности с глубиной.

Подвешенная вода удерживается в почвах достаточно прочно, но до определенного предела, обусловленного разностью давлений, создаваемой в менисках верхней и нижней поверхностей водного слоя. Если этот предел разницы давлений превышен, начинается стекание воды. Капиллярно-подвешенная вода может передвигаться как в нисходящем направлении, так и вверх, в направлении испаряющейся поверхности. При активном восходящем движении воды в почвах близ поверхности происходит накопление веществ, содержащихся в растворенном виде в почвенном растворе. Засоление почв в поверхностных горизонтах обязано во многом данному явлению. Происходит это в том случае, если в почвах в пределах промачиваемого с поверхности слоя имеется горизонт скопления легкорастворимых солей или если полив почв осуществляется минерализованными водами.

В суглинистых почвах количество капиллярно-подвешенной воды и глубина промачивания почвы за счет этой формы воды могут достигать значительных величин. В песчаных почвах эти показатели значительно ниже.

Распределение капиллярно-подвешенной воды в однородных по гранулометрическому составу грунтах

Грунт	Влажность (%) на различной глубине
	0-10	10-20	20-30	30-40	40-50	50-60	60-70
Тяжелый суглинок	40	39	35	34	33	32	31
Средний суглинок	30	28	28	28	28	27	26
Супесь	24	23	22	21	20	17	15

Капиллярно-подвешенная вода в почвах сохраняется длительное время, являясь доступной для растений. Поэтому эта форма воды с экологической точки зрения представляет особую ценность. Скорость передвижения капиллярно- подвешенной воды к поверхности и, следовательно, скорость ее испарения, т. е. потери воды из почвы, определяются главным образом структурностью почв. В структурных почвах этот процесс идет медленнее и вода дольше сохраняется. Одной из разновидностей капиллярно-подвешенной воды, встречающейся главным образом в песчаных почвах, является вода стыковая капиллярно-подвешенная

Возникновение ее в почвах легкого механического состава обязано тому, что в этих почвах преобладают поры, размер которых превышает размер капилляров. В данном случае вода присутствует в почвах в виде разобщенных скоплений в местах соприкосновения -- стыка твердых частиц в форме двояковогнутых линз («манжеты»), удерживаемых капиллярными силами.

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, подпираемая водами этого горизонта.

Капиллярно-подпертая вода встречается в почвенной-грунтовой толще любого гранулометрического состава. Слой почвы или грунта, содержащий капиллярно-подпертую воду непосредственно над водоносным горизонтом, называют капиллярной каймой. В почвах тяжелого механического состава она обычно больше (от 2 до 6 м), чем в почвах песчаных (40--60 см). Содержание воды в кайме уменьшается снизу вверх. Изменение влажности в песчаных почвах при этом происходит более резко. Мощность капиллярной каймы при равновесном состоянии воды характеризует водоподъемную способность почвы.



Схема распределения

капиллярно-подпертой (А) и капиллярно-подвешенной (Б) влаги в почвах

Капиллярно-посаженная вода (подперто-подвешенная) образуется в слоистой почвенно-грунтовой толще, в мелкозернистом слое при подстилании его слоем более крупнозернистым, над границей смены этих слоев. В слоистой толще из-за изменения размеров капилляров на поверхности раздела тонко- и грубодисперсных горизонтов возникают дополнительные нижние мениски, что способствует удержанию некоторого количества капиллярной воды, которая как бы «посажена» на эти мениски.

Поэтому в слоистой толще распределение капиллярной воды имеет свои особенности. Так, на контакте слоев различного гранулометрического состава наблюдается повышение влажности, в то время как в однородных почвогрунтах влажность равномерно убывает либо вниз по профилю (при капиллярно-подвешенной воде), либо вверх по профилю (при капиллярно-подпертой воде). Влажность слоистой почвенно-грунтовой толщи при прочих равных условиях всегда выше влажности толщи однородной.

Гравитационная вода Основным признаком свободной гравитационной воды является передвижение ее под действием силы тяжести, т. е. она находится вне влияния сорбционных и капиллярных сил почвы. Для нее характерны жидкое состояние, высокая растворяющая способность и возможность переносить в растворенном состоянии соли, коллоидные растворы, тонкие суспензии. Гравитационную воду делят на просачивающуюся гравитационную и воду водоносных горизонтов.

Просачивающаяся гравитационная вода находится преимущественно в зоне аэрации и передвигается под влиянием силы тяжести сверху вниз. Это движение продолжается до тех пор, пока она не встретит на своем пути слой грунта, обладающий малой водопроницаемостью -- фактически водонепроницаемый, водоупорный горизонт. После этого дальнейшее движение воды происходит под влиянием напора в виде грунтового потока. Слой грунта, в котором движется вода грунтового потока, называется водоносным горизонтом.

Просачивающаяся вода оказывает локальное воздействие на толщу пород. В частности, глинистые, лёссовые и другие связные грунты теряют прочность лишь на пути ее движения. В других точках пласта прочность породы сохраняется.

Вода водоносных горизонтов это грунтовые, почвенно-грунтовые и почвенные воды (почвенная верховодка), насыщающие почвенно-грунтовую толщу до состояния, когда все поры и промежутки в почве заполнены водой (за исключением пор с защемленным воздухом). Эти воды могут быть либо застойными, либо, при наличии разности гидравлических напоров, стекающими в направлении уклона водоупорного горизонта. Удерживаются они вследствие малой водопроницаемости подстилающих грунтов. Присутствие значительных количеств свободной гравитационной воды в почве -- явление неблагоприятное, свидетельствующее о временном или постоянном избыточном увлажнении, что способствует созданию в почвах анаэробной обстановки и развитию глеевого процесса. Осушительные мелиорации направлены, как правило, на уменьшение запасов свободной гравитационной воды в почвах.

5. Твердая вода -- лед. Твердая вода в почве -- это лед, являющийся потенциальным источником жидкой и парообразной воды, в которую он переходит в результате таяния и испарения. Появление воды в форме льда может иметь сезонный (сезонное промерзание почвы) или многолетний («вечная» мерзлота) характер. Поскольку почвенная вода -- это всегда раствор, температура замерзания воды в почве ниже 0°С.

Лед может содержаться в грунте в виде отдельных кристаллов или в виде прослоев чистого льда, достигающих местами значительной мощности. Кристаллы льда в большинстве случаев играют роль цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом. Благодаря присутствию льда резко изменяются свойства грунта.

Свойства мерзлых рыхлых пород очень чувствительны к изменению температуры, особенно при переходе ее через нуль градусов, так как при этом резко изменяется содержание незамерзшей воды. Изменение количества незамерзшей воды влияет на большую часть физических и химических свойств дисперсных мерзлых грунтов.

При промерзании дисперсных и особенно глинистых пород происходит миграция влаги и льдовыделение, которые резко изменяют строение грунтов, что также влияет на их физические и механические свойства. Следует иметь в виду, что повторные замерзания и оттаивания дисперсных пород могут приводить к необратимым изменениям структуры (и в том числе дисперсности) и их свойств (увеличивается количество свободной воды, возрастает фильтрационная способность, изменяется прочность, электрические свойства и т. д.).

Глава 2. Почвенно-гидрологические константы

Несмотря на то, что разделение почвенной воды на категории условно и ни одна из них не обладает абсолютной значимостью, можно выделить определенные интервалы влажности, в пределах которых какая-то часть влаги обладает одинаковыми свойствами и степенью доступности ее для растений.

Граничные значения влажности, при которых количественные изменения в подвижности воды переходят в качественные отличия, называют почвенно-гидрологические константы.

Здесь предствалены основные почвенно-гидрологические константы: максимальная гигроскопичность, влажность завядания, влажность разрыва капилляров, наименьшая влагоемкость, полная влагоемкость.

Максимальная гигроскопичность - константа, являющаяся особой разновидностью влагоемкости почвы, характеризующей предельно высокое количество парообразной воды, которое может быть устойчиво поглощено и удержано почвой. Другими словами характеризует предельновозможное количество парообразной воды, которое почва может поглотить из воздуха, почти насыщенного водяным паром.

Почва, влажность которой достигла состояния максимальной гигроскопичности, не сорбирует парообразную воду. Величина максимальной гигроскопичности зависит от химического, гранулометрического и минералогического состава почв. Велика максимальная гигроскопичность в почвах, содержащих гумус, торф, а также большое количество гигроскопических солей. Чем больше в почве тонких фракций гранулометрическоно состава, тем выше величина максимальной гигроскопичности (рис. ниже). Малогумусные и легкие опесчаненные почвы имеют максимальную гигроскопичность порядка 2-4%, а тяжелоглинистые и богатые гумусом -- порядка 10-12%.

Максимальная гигроскопическая влажность определяется по методу А.В.Николаева. Метод 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 K1SO4

Определение максимальной гигроскопичности проводят следующим образом.



Из воздушно-сухой почвы отбирают живые корни, растирают ее в ступке пестиком с резиновым наконечником и просеивают. Потом помещают навеску почвы около 10 г, просеянной через сито с отверстиями 1 мм, в высушенный и взвешенный на аналитических весах стаканчик диаметром около 5 см и высотой 3 см. Далее этот открытый стаканчик ставят в эксикатор, на дне которого находится около 100 мл насыщенного раствора К2S04. плотно закрывают эксикатор крышкой и помещают его в закрытое место с возможно меньшими колебаниями температуры.

Через 3-5 дней стаканчик вынимают из эксикатора, закрывают крышкой и взвешивают. Контрольные взвешивания проводят через каждые 2-3 дня до тех пор, пока последние взвешивания не будут расходиться более чем на 0,02г. Наибольшая масса стаканчика с почвой считается окончательной и используется для расчёта максимальной гигроскопичности.

После этого открытый стаканчик помещают в сушильный шкаф и высушивают почву при 105° до постоянного веса, как при определении гигроскопической влажности.

Когда всё это сделали, вычисляют содержание максимальной гигроскопической влаги и находят величину влажности завядания.

, ВЗ=1,5МГ,

где МГ - максимальная гигроскопичность, %;

а - масса, пустого стаканчика, г;

b - масса стаканчика' с почвой после насыщения, г;

c - масса стаканчика с абсолютно # сухой почвой, г;

ВЗ - влажность завядания, %;

1,5 - коэффициент, пересчета МГ в ВЗ (1,34 для лёгких по гранулометрическому составу почв)

Максимальная гигроскопичность почвы и влажность завядания растений

Название почвы	Горизонт, глубина, см	№ стаканчика	В граммах	МГ,%	ВЗ,%
			a	b	c
				1	2	3

Влажность устойчивого завядания - такое содержание воды в почве, при котором растение не может обеспечить свою потребность в воде, что и приводит к его завяданию. Это явление было впервые установлено в конце прошлого столетия русским ученым С. В. Богдановым. В дальнейшем этот вопрос разрабатывался американскими исследователями Бриггсом и Шанцем, которым и принадлежит термин «коэффициент завядания».Содержание воды в почве, соответствующее влажности завядания, является нижним пределом доступной для растений влаги.

Величина коэффициента завядания возрастает в почвах по мере увеличения их глинистости. Так, величина влажности завядания составляет (%): пески -- 1-3, супеси -- 4-6, суглинки -- 10-12, глины -- 20-30. Глины монтмориллонитового типа обладают более высокими показателями влажности завядания, чем глины каолинитовые.

Заметно возрастает она и в почвах и содержащих большое количество органических веществ, особенно неразложившихся, растительных остатков. В торфянистых горизонтах почв влажность завядания составляет 60-80%. Это является важным фактором при осушении торфяников, так как чрезмерное углубление уровня грунтовых вод при такой мелиорации нередко влечет за собой их «пересушку» и низкие урожаи. На торфянистых почвах необходимо обеспечивать запасы доступной влаги и достаточно высокий уровень грунтовых вод. Регулирование и поддержание определённого уровня грунтовых вод проводятся специальными шлюзами.

Не менее важным фактором является уровень засоленности почв. Величина коэффициента завядания значительно возрастает в почвах по мере роста их засоленности. Поэтому на засоленных почвах недостаток влаги для растений в засушливый период или перед поливом проявляется раньше и более резко, чем на почвах незаселенных, что надо иметь ввиду при их освоении.

Зависимость КЗ от содержания солей

Соль	Содержание солей, %
	0,00	0,10	0,20	0,30	0,50	0,75	1,00
NaCI	24,45	25,39	26,13	25,42	26,92	28,36	42,44
Na2S04	24,45	-	-	26,30	-	27,34	27,44

После многих сотен опытов определения коэффициента Бриггс и Шанц пришли к выводу, что эта величина характерна для каждой данной почвы и от растения не зависит, т. е. что все растения на данной почве начинают устойчиво завядать при одной и той же влажности этой почвы. Такое мнение долго существовало в науке. Только в последние годы советским исследователем Д. В. Федоровским было доказано, что оно не соответствует действительности. Оказалось, что различные растения на одной и той же почве начинают завядать при различной ее влажности, т. е. что влажность завядания зависит от свойств не только почвы, но и от растения: засухоустойчивые злаки завядают при меньшей влажности, чем влаголюбивые растения; для пахотных горизонтов почв и для обычных полевых культур влажность завядания колеблется, по данным С. И. Долгова (1948), в пределах 10-20%. Недоступность воды для растений при этих уровнях влажности почв объясняется тем, что почва удерживает воду с силой порядка 15-20 атм., что значительно превышает сосущую силу растений, которая составляет всего 2-4 атм.

Д. В. Федоровский установил также, что даже в пределах одного вида растения неодинаково устойчивы к уменьшению влаги в почве в разные фазы развития.

Чем же следует объяснить тот факт, что завядание растений начинается в тот момент, когда в почве еще остается усвояемая влага?

Дело в том, что остатки рыхлосвязанной влаги могут быть усвоены растениями, но они очень труднодоступны для них. Трудная доступность этих порций почвенной влаги объясняется тем, что они обладают весьма низкой подвижностью, в силу чего влага не успевает подтекать к точкам ее потребления, т. е. к корневым волоскам.

Следует отметить, что уменьшение доступности влаги отражается сначала не на внешнем состоянии растений (завядание), а лишь на их продуктивности. Последняя начинает снижаться с того момента, как во всех случаях, когда мы имеем возможность регулировать влажность почвы, например, в условиях орошаемого хозяйства, следует стремиться к тому, чтобы не допускать снижения влажности почвы ниже 70% наименьшей влагоемкости. Эта величина является переломной. При дальнейшем уменьшении влажности рост растений замедляется.

Влажность разрыва капилляров. Капиллярно-подвешенная вода при испарении передвигается в жидкой форме к испаряющей поверхности в пределах всей промоченной толщи по капиллярам, сплошь заполненным водой. Но при определенном снижении влажности, характерном для каждой почвы, восходящее передвижение этой воды прекращается или резко затормаживается. Потеря способности к такому передвижению объясняется тем, что в почве при испарении исчезает сплошность заполнения капилляров водой, т. е. в ней не остается систем пор, сплошь заполненных влагой и пронизывающих промоченную часть почвенной толщи. Эту критическую величину влажности М. М. Абрамова назвала влажностью разрыва капиллярной связи (ВРК).

Таким образом, влажность разрыва капилляров -- это влажность, при которой подвижность капиллярной воды в процессе снижения влажности резко уменьшается. Вода, однако, остается в мельчайших порах, в углах стыка частиц (мениски стыковой влаги). Эта влага неподвижна, но физиологически доступна корешкам растений.

ВРК называют также критической влажностью, так как при влажности ниже ВРК рост растений замедляется и их продуктивность снижается. В почвах и грунтах эта величина варьирует довольно сильно, составляя в среднем около 50-60% от наименьшей влагоемкости почв. На содержание воды, соответствующей ВРК, помимо гранулометрического состава почв, существенное влияние оказывает их структурное состояние. В бесструктурных почвах запасы воды расходуются на испарение значительно быстрее, чем в почвах с агрономически ценной структурой. Поэтому в них влажность будет быстрее достигать ВРК, т. е. обеспеченность влагой растений снижаться будет быстрее.

Почвенно-гидрологические константы, как и влагоемкость почв, выражаются в процентах от массы или объема почв.

Наименьшая влагоемкость (полевая влагоемкость, предельная полевая влагоемкость) - наибольшее количество влаги, которую почва способна удерживать капиллярными силами после свободного стекания гравитационной влаги. Это очень важная характеристика, указывающая на водоудерживающую способность почвы. Величина эта имеет огромное практическое значение, по ней производят полив растений, ориентируют нормы осушения и прочее.

При влажности НВ вся система капиллярных пор заполнена водой, поэтому создаются оптимальные условия влагообеспеченности растений. По мере испарения и потребления воды растениями теряется сплошность заполнения водой капилляров, уменьшается подвижность воды и доступность ее растениям. Влажность, соответствующая разрыву сплошности капилляров называется влажностью разрыва капилляров (ВРК). Это важная гидрологическая константа почвы, характеризующая нижний предел оптимальной влажности. Для суглинистых и глинистых почв ВРК составляет 65-70% НВ.

Наименьшая влагоемкость зависит от гранулометрического и минералогического состава, содержания гумуса, структурного состояния, пористости и плотности почвы. Для песчаных и супесчаных почв она составляет от 5 до 20%, для суглинистых и глинистых - от 20 до 45%. Наибольшие значения НВ характерны для гумусированных почв тяжелого гранулометрического состава обладающих хорошо выраженной макроструктурой и микроструктурой. Максимальное количество капиллярно-подпертой влаги, которое может содержаться в почве над уровнем грунтовых вод, называется капиллярной влагоемкостью (КВ). Она зависит, помимо свойств самой почвы, от того, на какой высоте от уровня грунтовых вод ее определяют. Чем ближе к зеркалу грунтовых вод, тем выше капиллярная влагоемкость для данной почвы. При подпирании грунтовых вод в нижних участках капиллярной каймы почти все поры заполнены водой. На верхней границе капиллярной каймы капиллярная влагоемкость равна наименьшей влагоемкости.

Полная влагоемкость. Этим термином обозначается такое состояние увлажнения почвы, когда все поры в ней заполнены водой». В это время в почве содержатся все формы воды: кристаллогидратная, адсорбированная, прочносвязанная, адсорбированная, рыхлосвязанная, капиллярная вода (хотя капиллярные мениски, за исключением поверхности насыщенного водного слоя, сняты) и вода гравитационная -- свободная. При данном состоянии почвы или грунта полная влагоемкость равна по объему общей порозности почвы. В почве эта степень насыщенности водой создается при наличии водоупорных слоев или горизонтов, когда почва затапливается водой, а также в слоях, непосредственно близких к зеркалу подпирающей воды, если в почве отсутствуют крупные некапиллярные поры.

Величина полной влагоемкости колеблется в пределах 40-50%, опускаясь иногда до 30% и возрастая в отдельных случаях до 80% объема почвы. В пересчете на 1га полная влагоемкость почвогрунтов в слое 1м при скважности 40-50% составляет 4000-5000 м3/га; для 2-метрового слоя эта величина достигает 8000-10000 м3/га. Наличие защемленного, растворенного и адсорбированного воздуха несколько уменьшает эти величины (на 5-10%).

Глава 3. Влагоёмкость, водопроницаемость, водоудерживающая способность почв

почвенный влага гигроскопичность

Влагоемкость - количество воды, характеризующее водоудерживающую способность почвы.

В зависимости от сил, удерживающих влагу в почвах, различают максимальную адсорбцию, капиллярную, наименьшую (полевую) и полную влагоемкости.

Максимальная адсорбционная влагоемкость - та часть почвенной влаги, которая находится под непосредственным действием сорбционных сил, исходящих от поверхности твердых частиц.

Капиллярная влагоемкость - запас влаги, удерживаемой над уровнем грунтовых вод капиллярными (менисковыми) силами. Она выражается в процентах от веса или объема почвы. Величина капиллярной влагоемкости, помимо мощности слоя, зависит от того, на какой высоте от зеркала грунтовых вод находится слой почвы: чем меньше эта высота, тем больше эта влагоемкость. Величина ее обусловлена общей и капиллярной пористостью, а также плотностью почвы.

С капиллярной влагоемкостью связано важное в агрономической практике понятие капиллярной каймы. Капиллярной каймой называется весь слой подпертой влаги между уровнем грунтовых вод и верхней границей фронта смачивания почвы.

Наименьшая влагоемкость соответствует такой влажности, которая сохраняется в почвогрунте, не испытывающем капиллярного подтока влаги после стекания избыточной воды, поступающей к поверхности почвы. Это максимальное количество воды, фактически удерживаемое почвой в природных условиях в состоянии равновесия, когда устранено испарение и дополнительный приток воды. Величина наименьшей влагоемкости зависит от гранулометрического, мине-ралогического и химического состава почвы, ее плотности и пористости.

Когда в почве все поры заполнены водой, наступает состояние увлажнения, называемое полной влагоемкостью или водовместимостью. При полной влагоемкости влага в почве, находящаяся в крупных промежутках между твердыми частицами, непосредственно удерживается зеркалом грунтовых вод или водоупорным слоем. Практически в почвах, насыщенных водой до состояния полной влагоемкости, 5-8% порового пространства заполнено «защемленным воздухом». Учитывая это, водовместимость можно рассчитать по общей пористости почвы за вычетом объема «защемленного воздуха».

Если отсутствует водоупорный слой и влага в почве не подпирается грунтовыми водами, излишек ее сверх уровня полевой влагоемкости стекает, «проваливается» в глубокие горизонты. Разница между полной и полевой влагоемкостью называется максимальной водоотдачей.

Водопроницаемость почв -- способность почв и грунтов впитывать поступающую с поверхности воду и пропускать эту воду от слоя к слою в ненасыщенных водой горизонтах и, наконец, фильтровать воду сквозь определенную толщу горизонтов, вполне насыщенных водой

Проникает вода в почву в силу своего веса по крупным порам аэрации, одновременно рассасываясь в стороны под влиянием поверхностной энергии почвы и капиллярных явлений.

В процессе поступления воды в почву и дальнейшего передвижения ее можно выделить 2 стадии: впитывание и фильтрация.

Впитывание - процесс поглощения воды сухой или ненасыщенной почвой и прохождение ее от верхнего слоя к слою. Измеряют его «коэффициентом впитывания», в отличие от «коэффициента фильтрации», которым характеризуют интенсивность прохождения воды сквозь почвенные или грунтовые слои, вполне насыщенные водой. Коэффициентом фильтрации характеризуется и сама фильтрация - прохожднение воды сквозь толщу насыщенной водой почвы. В природной полевой обстановке, в большинстве случаев, четкое разграничение этих двух процессов отсутствует. Поверхностные горизонты почвы, первыми воспринимающие воду, и насыщаются ею в первую очередь. В то время, когда в отношении их уже можно применить понятие о фильтрации воды, подстилающие их горизонты будут воду только впитывать ее.

Фильтрацию воды в чистом виде можно наблюдать лишь на территориях, длительно заливаемых водой, как, например, в днищах водоемов, рек, каналов и при сквозных промывках почв от солей. В агрономической практике в подавляющем большинстве случаев мы встречаемся с явлением впитывания воды почвой, поэтому и при описании методики определения водопроницаемости, главным образом имеется в виду этот процесс.

Интенсивность и характер водопроницаемости почвы зависит от механического и химического их состава, от структурности, плотности сложения, порозности, влажности почв и длительности их увлажнения.

В легких по гранулометрическому составу поры крупные и водопроницаемость всегда высокая. В суглинистых и глинистых почвах количество и размер пор зависят от структурного состояния. Суглинистые и глинистые почвы, обладающие водопрочной комковато-зернистой структурой, также отличаются высокой водопроницаемостью. В почвах тяжелого гранулометрического состава с глыбисто-пылеватой структура водопроницаемости низкая.

...