Глава 11. СТРУКТУРА И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

М.А. Глазовская

Смотрите также:

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Фитоценология - геоботаника

Химия почвы

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Черви и почвообразование

Дождевые черви

Вернадский. Биосфера

Геохимия - химия земли

Минералогия

Земледелие. Агрохимия почвы

Справочник агронома

Происхождение растений

Ботаника

Биология

Эволюция биосферы

Земледелие

Геоботаника

Биографии биологов, почвоведов

Эволюция

Водно-физические свойства почвы

Почвенная влага — одна из важнейших и весьма мобильных составных частей почвы

При участии воды совершаются процессы выветривания, гумификации и минерализации органических остатков. Почвенная влага — основа жизни микроорганизмов и высших растений. При участии почвенной влаги перемещаются вещества внутри Почвенного профиля и обособляются генетические почвенные горизонты, а также выносится часть веществ за пределы почвенного профиля. От состояния влажности почвы зависят ее физические свойства.

Большое значение почвенной влаги во всех идущих в почве процессах издавна привлекало внимание ученых. Проблеме борьбы с засухой была посвящена одна из экспедиций В. В. Докучаева. Вопросами состояния и закономерностей передвижения воды в почве занимались ученики и последователи Докучаева — Г. Н. Высоцкий, Н. П. Адамов, А. А. Измаильский. Позднее почвенную гидрологию изучали П. В. Отоцкий, А. Ф. Лебедев, А. Г. Дояренко, С. И. Долгов, С. В. Нерпин, Б. Н. Мичурин, Н. А. Качинский. Особенно большой вклад в изучение гидрологии почв внесли труды А. А. Роде, создавшего учение о типах водного режима почв.

Состояние влаги в почве. Водоудерживающая способность почвы

Влага в почве может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях. Наиболее подвижна парообразная влага; жидкая влага по степени подвижности делится на прочносвязан- ную, рыхлосвязанную и свободную. Парообразная влага находится в почвенном воздухе в форме водяного пара. Попадая в почву из атмосферы или за счет испарения воды внутри почвы, она движется в порах и пустотах от мест с большей упругостью пара к местам с меньшей его упругостью. Некоторое значение для пассивного передвижения водяного пара имеет тепловое расширение почвенного воздуха, обычно наблюдаемое в верхних горизонтах почв при нагревании их в течение дня. Давление атмосферного воздуха и аэродинамические силы, возникающие при действии на поверхность почв ветра, усиливают обмен парообразной влаги между почвой и атмосферой.

Сорбированная влага. Движение частиц водяного пара и их количество в почве регулируется сорбционными силами — притяжением молекул парообразной воды к твердым почвенным частицам и превращением ее в так называемую гигроскопическую влагу Г. Способность твердых частиц поглощать из воздуха парообразную влагу называется гигроскопичностью почвы. Даже совершенно сухая на вид почва (воздушно-сухая почва), долгое время хранящаяся в помещении, обычно содержит некоторое количество гигроскопической влаги. Последнюю выражают в процентах к массе абсолютно сухой почвы (высушенной при 105° С).

Гигроскопическая влага удерживается на поверхности почвенных -частиц силами молекулярного притяжения настолько прочно, что удалить ее можно только путем перевода в парообразное состояние при нагревании почвы свыше 100° С в течение 4—5 ч. Количество гигроскопической воды, которое может быть поглощено данной почвой, зависит от относительной упругости водяного пара в воздухе, соприкасающемся с почвой. Чем больше упругость водяного пара, тем больше воды адсорбируется в почве.

Количество влаги, выраженное в процентах от массы почвы, которое она может поглотить из воздуха, почти насыщенного водяным паром (с относительной влажностью 94%), называется максимальной гигроскопичностью МГ.

Для определения максимальной гигроскопичности навеску почвы помещают в атмосферу, насыщенную водяными парами (в эксикатор над слабым раствором серной кислоты или сернокислого калия). Прибавка в массе по сравнению с массой абсолютно сухой почвы (высушенной при 105° С), рассчитанная в процентах на 100 г, дает величину максимальной гигроскопичности.

По существующим представлениям, в начальную стадию процесса сорбции парообразной влаги в почве молекулы водяного пара притягиваются поверхностными молекулами и ионами твердого вещества. Возникает первый слой сорбированных молекул.

Следующие слои молекул воды притягиваются уже молекулами самой адсорбированной воды (это облегчается их дипольным характером). Все молекулы сорбированной воды находятся, таким образом, в строго ориентированном положении (). Наблюдения над адсорбцией водяного пара кварцевым песком показали, что образование мономолекулярного слоя происходит при очень небольшом содержании водяного пара — около 1 % относительной влажности. При дальнейшем увеличении содержания пара начинается процесс многослойной сорбции. При 80— 85% относительной влажности толщина пленки гигроскопической воды равна 30—50 диаметрам молекул воды.

Количество гигроскопической влаги, которое может быть поглощено разными почвами при определенной упругости пара, зависит от механического состава почвы и особенно от содержания в них коллоидной фракции, имеющей большую удельную поверхность.

Максимальная гигроскопичность в почвах колеблется от 2 до 15%.

Силы притяжения твердыми частицами парообразной влаги действуют на малое расстояние, равное нескольким диаметрам молекулы воды. Ее внутренние слои, особенно прочно связанные с твердыми частицами, представляют адсорбированную, или проч- носвязанную, воду. Адсорбция первых слоев воды почвенными частицами совершается:

 а) за счет водородных связей с атомами кисдорода, входящими в состав поверхностного слоя частиц;

  б) за счет гидратации обменных катионов, расположенных на поверхности частиц в точках изоморфного замещения атомов кремния и атомов алюминия на атомы магния. Первые слои составляют 0,6—0,7 максимальной гигроскопичности. Прочносвязанная влага обладает более высокой плотностью (1,1 —1,7), меньшей теплоемкостью (около 0,5), чем свободная вода, не способна растворять электролиты и проводить электрический ток, не замерзает вплоть до —78° С и имеет механические свойства, сближающие ее с твердыми телами (модуль сдвига и предел текучести). При адсорбции первых слоев воды выделяется теплота смачивания.

Наибольшее количество прочносвязанной воды, которое может быть удержано силами адсорбции, называется максимальной адсорбционной влагоемкостью и выражается в процентах от массы или от объема почвы. Толщина водной пленки при максимальной гигроскопичности измеряется несколькими десятками молекулярных слоев воды. Она наименьшая у глинистых частиц и наибольшая у песчаных ().

Рыхлосвязанная, или пленочная, влага

Воду, удерживаемую силами молекулярного притяжения сверх величины максимальной гигроскопичности, Н. Ф. Лебедев предложил называть пленочной водой, а А. В. Думанский, С. И. Долгов и А. А. Роде — рыхлосвя- залной водой в отличие от прочносвязанной — гигроскопической. Для нее характерно ориентированное расположение молекул воды. Наибольшее количество рыхлосвязанной, или пленочной, воды может в 2—4 раза превышать величину максимальной гигроскопичности. Дополнительное количество влаги, удерживаемой силами молекулярного притяжения, почва не может поглотить даже из насыщенной водяными парами атмосферы. Рыхлосвязанная влага сорбируется при соприкосновении почвенных частиц с жидкой влагой.

В отличие от прочносвязанной влаги влага рыхлосвязанная способна передвигаться от одной почвенной частицы к другой: от частиц с более толстыми пленками к частицам с менее толстыми. i Однако это движение возможно, пока существует некоторый градиент влажности, и совершается с очень малой скоростью.

Рыхлосвязанная влага может быть удалена из почвы центрифугированием (при ускорении, развиваемом центрифугой, равном 35 000—37 000) или отпрессованием (при нагрузке от 6850 до 2000 кгс/см2).

Рыхлосвязанная, или пленочная, влага отличается от обычной жидкой влаги, находящейся в почвах, лишь несколько пониженной концентрацией растворенных веществ и пониженной вязкостью, несколько пониженной температурой замерзания (при понижении температуры до —15° С количество незамерзшей воды i близко к величине максимальной гигроскопичности, И. Н. Вотя- I ков, 1960).

Наибольшее количество воды, которое может быть удержано в ' почве силами молекулярного притяжения, называется максималь- $ ной молекулярной влагоемкостью ММВ и выражается в процен- ' тах от массы или объема почвы. Максимальное количество пленочной воды в глинистых почвах достигает 44%, в большинстве случаев составляет 7—15%. Процесс многослойной сорбции идет по-разному в песчаных почвах и почвах суглинистых и глинистых.

В песчаных почвах, где удельная поверхность мала, а поры большого размера, образуются пленки рыхлосвязанной воды при сорбции парообразной влаги в сотни молекулярных диаметров, а при сорбции жидкой влаги — более тысячи.

В суглинистых и глинистых почвах с большой удельной поверхностью и малыми размерами пор, насыщенных Са, Mg, Н, А1, сорбируемая влага уже при малом числе молекулярных слоев «(8—10) занимает большую часть порового пространства. Обменные катионы соединяют отдельные глинистые частицы и способствуют образованию микроструктуры. При замещении многовалентных ионов натрием происходит разрушение микроструктуры. В результате образуются многослойные гидратные оболочки на поверхности элементарных частиц, почва сильно набухает, а коллоиды из состояния геля переходят в состояние раствора — золя.

Свободная влага в почве

Для нее характерно отсутствие ориентировки молекул вокруг почвенных частичек (что не исключает возможности ориентировки их вокруг находящихся в растворе ионов). Свободная влага распространена в почвах в капиллярной и гравитационной формах.

Капиллярная влага удерживается в почвах капиллярными, или менисковыми, силами. Она, в свою очередь, может быть подразделена на капиллярно-подвешенную и пленочно-подвешенную влагу, удерживающуюся в почвах при увлажнении их сверху (после дождя или полива), и капиллярно-подпертую (капиллярную кайму), образующуюся при подъеме воды снизу от горизонта грунтовых

Наибольшее количество подвешенной влаги, остающееся в верхних горизонтах почв после их смачивания, называется наименьшей влагоемкостью или полевой влагоемкостью НВ. Наименьшая влагоемкость и ее природа зависят от степени острукту- ренности и механического состава почв.

В почвах песчаных, где размеры пор между частицами превышают размеры капилляров, подвешенная влага сохраняется лишь в местах стыка отдельных частиц и называется стыковой подвешенной водой. Она составляет 3,0—3,5% от массы почвы или 10—15% от полной влагоемкости почвы (т. е. содержания влаги при полном заполнении водой всех промежутков, рис. 43). В почвах среднезернистых (диаметр частиц 1—0,1 мм) содержание подвешенной воды увеличивается до 23% от массы почвы.

Существует определенный предел мощности подвешенной воды. Нижняя граница смоченного слоя выделяется очень резко по уменьшению влажности. Столб подвешенной воды ограничен снизу и сверху поверхностями, состоящими из большого количества менисков. Он может удерживаться капиллярными силами в том случае, если нижняя поверхность водного слоя ограничена менисками с меньшей кривизной и, следовательно, с большим поверхностным давлением, чем верхняя поверхность этого слоя. Между нижннм и верхним давлением создается некоторая разность, за счет которой и удерживается вода в капиллярах. Если эта разность давлений превышена, начнется стекание массы подвешенной воды.

В поверхностных горизонтах песчаной толщи может быть создан сплошной слой подвешенной воды, полностью насыщающей песок (до полной влагоемкости), если первоначально эта толща и подстилающие ее горизонты были совершенно сухими. Имеется определенный предел мощности слоя насыщающей подвешенной влаги. Если он превышен, вся влага, за исключением стыковой, быстро стекает.

В суглинистых и глинистых почвах количество подвешенной влаги и особенно мощность смоченного слоя могут достигать значительных размеров. Так, по наблюдениям в лёссовых грунтах со сквозным промачиванием наименьшая влагоемкость 23—25%. сохраняется на глубине до 15 м (А. А. Измаильский).

При увлажнении почвы сверху (полив или дождь) распределение капиллярно-подвешенной влаги в суглинистых грунтах имеет вид, изображенный на 44. Распределение подвешенной влаги в почве через различные сроки после полива указывает на возможность лишь очень медленного ее стекания вниз, а общий характер кривых говорит о том, что поступившая в почву влага удерживается в ней достаточно прочно.

В суглинистых грунтах капиллярно-подвешенная влага может передвигаться в жидкой форме в направлении испаряющей поверхности в пределах всей промоченной толщи. По мере испарения жидкости близ поверхности образуется слой с максимальным содержанием растворимых веществ.

По мере передвижения и испарения капиллярно-подвешенной влаги восходящее движение почвенной влаги кверху при определенном пределе влажности прекращается, когда капилляры разрываются и исчезает сплошность свободной влаги.

Значение влажности, при котором движение кверху подвешенной влаги прекращается, называется влажностью разрыва капилляров ВРК. Величина влажности разрыва капилляров при прочих равных условиях изменяется в зависимости от структурного состояния почвы. Бесструктурные почвы теряют* воду за счет ее передвижения к слоям иссушения значительно больше, чем почвы структурные. Подвижная вода в бесструктурных почвах тяжелого механического состава может быть представлена не столько капиллярной, сколько рыхлосвязанной водой. В тонкозернистых структурных почвах наряду со связанной водой (внутри комочков) задерживается и капиллярно-подвешенная между отдельными агрегатами.

Внутриагрегатная капиллярно-подвешенная влага встречается в почвах, обладающих микроструктурой. Она заполняет капилляры, пронизывающие агрегаты.

Капиллярно-подпертая влага появляется над зеркалом грунтовых вод, от которого влага по мелким капиллярного размера порам почвы может подниматься на некоторую высоту.

Если взять стеклянную трубку, наполнить ее почвой и нижний конец трубки опустить в сосуд с водой, можно заметить по увлажнению почвы подъем воды. Сначала скорость поднятия большая, потом замедляется и на некоторой высоте устанавливается постоянный уровень смоченной почвы. Влага, которая всасывает- 6 капиллярам и находится в гидростатическом равновесии со свободной водой в сосуде, называется капиллярно-подпертой. В природе над зеркалом грунтовых вод создается кайма капиллярно-подпертой влаги. Содержание влаги в кайме уменьшается снизу вверх () от почти полной влагоемкости до наименьшей. Мощность капиллярной каймы илН водоподъемная способность почв зависит от их механического состава

Высота капиллярного подъема возрастает от песков через супеси к лёссовидным суглинкам. При переходе к грунтам более тяжелого механического состава она снова уменьшается, так как сила трения в тонких капиллярах очень большая, а тонкие поры сплошь заполнены связанной влагой. Максимальная высота капиллярного поднятия, определенная Н. А. Качинским для лёссовидных суглинков в лабораторных условиях, равна 350 см (за 5 лег). В природных условиях он наблюдал капиллярный подъем на высоту до 600 см. Высота капиллярной каймы находится в обратной зависимости от степени минерализации воды.

Таким образом, почвенно-грунтовая толща, расположенная непосредственно над зеркалом грунтовых вод, содержит капиллярно- подпертую влагу. При испарении ее у верхнего края капиллярной каймы от зеркала грунтовых вод идет поступление новых порций воды.

Количество влаги, удерживаемое почвой при насыщении ее по капиллярам снизу, выраженное в процентах от массы почвы, называют капиллярной влагоемкостью. Капиллярная влагоемкость на разном расстоянии от уровня грунтовых вод непостоянна. Она изменяется от 17 до 60% от массы почвы.

В природе влажность почв изменяется весьма значительно в пределах капиллярно-смоченного слоя, поэтому то, что называют капиллярной влагоемкостью, определяется Е лаборатории при насыщении почвы в небольших цилиндрах (высотой 15—20 см) и представляет максимальное количество капиллярной влаги, удерживаемое почвой непосредственно над уровнем воды.

Кроме капиллярно-подвешенной и капиллярно-подпертой влаги в почвах может находиться свободная гравитационная влага. А. А. Роде разделил ее на просачивающуюся гравитационную влагу и подпертую гравитационную влагу водоносных горизонтов. Первая из них передвигается в порах и трещинах почвы сверху вниз под влиянием силы тяжести. Способность к такому передвижению влаги вниз появляется в почвах, влажность которых превышает величину наименьшей влагоемкости. Скорость просачивания гравитационной воды называется водопроницаемостью почв. Она зависит от механического состава и структурного состояния почв и в особенности от размера некапиллярной скважности.

Водопроницаемость почв определяют обычно в поле. Для этого участок поверхности почвы огораживают (забитыми в почву) деревянными или металлическими квадратами( кольцами), концентрически вставленными один в другой. И внутренний и внешний квадрат заливают водой, поддерживаемой на постоянном уровне (5 см). Наблюдения за скоростью просачивания воды (по ее расходу) ведут во внутреннем квадрате (внешний служит защитой против растекания воды) в течение 5—6 ч до установления постоянной скорости фильтрации. Результаты наблюдений изображают в виде кривых (47).

В начальные моменты расход воды очень велик за счет впитывания влаги в верхний рыхлый и влагоемкий гумусовый горизонт почвы; затем расходы воды постепенно уменьшаются и устанавливается постоянная скорость просачивания воды.

Если на пути просачивающейся гравитационной влаги встречается водоупорный слой, над ним начинается скопление влаги, и все поры и промежутки в почве заполняются водой (заполнение может быть иногда не совсем полным вследствие защемления изолированных скоплений воздуха). Количество влаги при полном заполнении водой всех пор почвы, выраженное в процентах от массы почвы, называется наибольшей влагоемкостью или полной влагоемкостью.

Подпертая гравитационная влага над водоупорным слоем приобретает свойство гидростатической сплошности, т. е. способности передавать гидростатическое давление. Она свободно вытекает из стенки естественного или искусственного разреза или стекает по уклону водоупорного слоя. Если водоупорный слой имеет чашеобразную вогнутую форму, наблюдается застой гравитационной влаги.

Распределение влаги в почвенно-грунтовой толще ритмически изменяется по годам и многолетним циклам и подчиняется определенным закономерностям. В каждый данный момент почва может быть расчленена на несколько почвен- но-гидрологических горизонтов (Роде, 1963). Каждый из них характеризуется влажностью определенной качественной категории (полная влаго- емкость, наименьшая влагоем- кость, влажность разрыва капилляров, влажность завяда- ния и т. д.). В годичном цикле эти горизонты закономерно сочетаются в почвенной толще и во времени сменяют друг друга. Система горизонтов составляет гидрологический профиль почвы и характеризует ее водный режим.

Динамику влажности почвы изучают- на стационарах. Для этого подекадно в течение года или теплого периода года берут буром образцы почвы на различной глубине от поверхности и с учетом мощности генетических горизонтов и всего профиля в целом до горизонта почвенно-грунтовых вод. В образцах определяют влажность почвы и другие физические константы (объемную массу, пористость, гигроскопичность) для характеристики состояния влажности в соответствии с названными ранее категориями.

Результаты наблюдений представляют в графическом виде в двух формах: хроноизоплет качественных категорий влажности, характеризующих строение почвенно-гидрологических профилей, и в форме кривых, изображающих на фоне качественных категорий влажности послойный годовой ход запасов продуктивной влаги (т. е. влаги сверх величины влажности завядания).

Влияние различных величин влажности почвы на рост и развитие растений. Растения в процессе жизни потребляют очень большое количество воды. Главная масса этой воды расходуется на транспирацию. Потребность растений в воде выражается их транспирационным коэффициентом, т. е. отношением количества воды, испаренной растением, к общему приросту сухого вещества за определенный промежуток времени. Этот коэффициент для культурных растений колеблется от 200 до 1000, в большинстве случаев равен 350—450. Таким образом, на построение 1 т растительной массы затрачивается от 200 до 1000 т воды. Естественно, что влажность почвы (ее водоудерживающая, водопропускная и водоподъемная способности) и доступность различных форм влаги растениям представляют исключительно важный элемент плодородия почв. От них непосредственно зависят рост и развитие растений и величина урожая.

По отношению к растениям почвенная влага может быть разделена на следующие категории (по А. А. Роде):

1.         Неусвояемая для растений влага, или мертвый запас влаги. Она приблизительно соответствует максимальному содержанию прочносвязанной воды или величине максимальной адсорбционной влагоемкости.

2.         Весьма труднодоступная для растений влага. Эта часть рых- лосвязанной влаги по содержанию в почве отвечает интервалу влагоемкости между максимальной адсорбционной влагоемкостью и коэффициентом завядания растений, равным приблизительно 1,5 максимальной гигроскопичности. Коэффициентом завядания растений называют то минимальное количество влаги в почве, при котором в листьях растений снижается содержание влаги и они начинают завядать. Полное отмирание растений наступает при влажности, равной максимальной адсорбционной влагоемкости. Вместо термина «коэффициент завядания» употребляют термин «влажность завядания», так как отмирание растений происходит не сразу, а в определенном интервале влажности, когда в почве еще содержится труднодоступная растениям влага.

3.         Труднодоступная влага заключена в пределах между влажностью завядания и влажностью разрыва капилляров. В этом интервале влажности растения могут существовать, не обнаруживая признаков недостатка влаги, но продуктивность растительного покрова низкая.

4.         Среднедоступная влага отвечает пределам влажности от влажности разрыва капилляров до наименьшей влагоемкости. Продуктивность растений резко увеличивается при повышении содержания влаги выше влажности разрыва капилляров и продолжает расти и далее с ростом влаги (табл. 29).

5.         Влага легкодоступная, переходящая в избыточную, лежит в пределах величин влажности от наименьшей влагоемкости до полной влагоемкости. В этом интервале содержание влаги в почве может уже затруднять доступ кислорода воздуха и быть причиной затрудненного дыхания растений.

При регулировании содержания влаги в почве (полив, рыхление, снегозадержание и т. д.) нужно стремиться, чтобы влажность почвы поддерживалась на уровне между влажностью разрыва капилляров и наименьшей влагоемкостью (ближе к последней), т. е. на уровне среднедоступной влаги и несколько выше (около 70% от наименьшей влагоемкости).

К содержанию книги: МАРИЯ АЛЬФРЕДОВНА ГЛАЗОВСКАЯ - Общее почвоведение и география почв