Водные свойства почвы

Вода в почве является одним из основных факторов почвообразования и одним из главнейших условий плодородия. В мелиоративном отношении особенно важное значение вода приобретает как физическая система, находящаяся в сложных взаимоотношениях с твердой и газообразной фазой почвы и растением Недостаток воды в почве губительно отражается на урожае. Основной источник воды в почве – выпадающие осадкиСодержание воды в почве определяется климатическими условиями зоны и водоудерживающей способность почвы. Роль почвы во внешнем влагообороте и внутреннем влагообмене повышается в результате ее окультуривания, когда заметно увеличиваются влажность, водопроницаемость и влагоемкость, но сокращаются поверхностный сток и бесполезное испарение.

Влажность почвы

Содержание воды в почве колеблется в пределах от сильного иссушения (физиологической сухости) до полного насыщения и переувлажнения. Количество воды, находящейся в данный момент в почве и выраженное в весовых или объемных процентах по отношению к абсолютной сухой почве, называется в л а ж н о с т ь ю п о ч в ы.

Влагоемкость почв

В л а г о е м к о с т ь (влагоудержание) – свойство почвы поглощать и удерживать то максимальное количество воды, которое в данное время соответствует воздействию на нее сил и условиям внешней среды. Это свойство зависит от состояния увлажненности, пористости, температуры почвы, концентрации и состава почвенных растворов, а также от других факторов и условий почвообразования. Чем выше температура почвы и воздуха, тем меньше влагоемкость, за исключением почв, обогащенных перегноем.. Различаются следующие виды влагоемкости: а) полная (ПВ); б) максимальная адсорбционная (МАВ); в) капиллярная (КВ); г) наименьшая полевая (НВ) и предельная полевая влагоемкость (ППВ). Все виды влагоемкости меняются с развитием почвы в природе и еще более – в производственных условиях.

Т е п л о п р о в о д н о с т ь – способность почвы проводить тепло. Она выражается количеством тепла в калориях, проходящего в секунду через площадь поперечного сечения 1 см2 через слой 1 см при температурном градиенте между двумя поверхностями 1оС.

т е м п е р а т у р о п р о в о д н о с т ь – ход изменения температуры в почве. Температуропроводность характеризует изменен ие температуры на единице площади в единицу времени. Она равна теплопроводности, деленной на объемную теплоемкость почвы.

Физико механические свойства почв их характеристика

К физико-механическим свойствам относятся пластичность, липкость, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке.

Пластичность — способность почвы изменять свою форму под влиянием внешних сил и сохранять эту форму впоследствии. Пластичность проявляется только при увлажнении почвы и тесно связана с механическим составом (глинистые почвы пластичны, песчаные — непластичны). На пластичность влияют состав колло­идной фракции почвы, поглощенных катионов и содержание гумуса. Например, при содержании в почве натрия ее пластичность усиливается, а при насыщении кальцием — снижается. При высоком содержании гумуса пластичность почвы уменьшается.

Липкость — способность почвы прилипать к различным поверхностям. В результате прилипания почвы к рабочим частям машин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы. Липкость возрастает при увлажнении. Высокогумусированные почвы (например, черноземы) даже при высоком увлажнении не проявляют липкости. У глинистых почв липкость наибольшая, у песчаных — наименьшая. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует уменьшению, а насыщение натрием — увеличению липкости. С липкостью связано такое агрономическое и ценное свойство почвы, как физическая спелость. Состояние, когда почва при обработке не прилипает к орудиям и крошится на комки, отвечает ее физической спелости.

Набухание — увеличение объема почвы при увлажнении. Оно присуще почвам, содержащим много коллоидов, и объясняется связыванием коллоидами молекул воды. Почвы с большим содержанием поглощенного натрия (солонцы) набухают больше, чем содержащие много поглощенного кальция. Набухание может вызвать неблагоприятные в агрономическом отношении изменения в пахотном горизонте. Вследствие набухания частички почвы могут быть настолько разделены пленками воды, что это приведет к разрушению структурных отдельностей.

Усадка — уменьшение объема почвы при высыхании. Это обратный процесс набуханию. При высушивании почвы вследствие усадки появляется трещиноватость.

Связностью и твердостью почвенной массы определяются такие важнейшие технологические показатели, как сумма энергетических затрат, расход горючего и смазочных материалов, износ машин и орудий.

Связность почвы — способность сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить ее частицы. Обусловливается она силами сцепления между частичками почвы. Связность определяет твердость почвы, то есть сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением какого-либо предмета. Определяется это свойство специальными приборами — твердоме­рами. Высокая твердость является признаком плохих физико-хи­мических и агрофизических свойств почвы. Твердость почвы влияет на сопротивление при обработке.

Удельное сопротивление — усилие, затрачиваемое на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую плужную поверхность. В зависимости от механического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохозяйственного состояния земли удельное сопротивление почвы изменяется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см2.

С физико-механическими свойствами почвы связано такое понятие, как спелость почвы. Различают физическую и биологическую спелости почвы.

Физическая спелость – это такое состояние почвы, когда она легко обрабатывается, хорошо крошится на комки разной величины. Именно почву такого состояния и необходимо обрабатывать. Физически неспелая почва прилипает к почвообрабатывающим орудиям, образует глыбы. Физическая спелость определяется влажностью почвы, ее связностью, липкостью.

Биологической спелости почва достигает при максимальной активности микробиологических процессов. Об этом судят по количеству углекислого газа, образующегося в результате их проявления. В период биологической спелости возрастает содержание в почве доступных растениям элементов питания.

Для регулирования общих, физико-механических свойств почвы используют различные приемы: а) агротехнические (правильная обработка почвы с соответствующими приемами, способами, сроками); в) химические (формирование оптимального состава катионов ППК, необходимой реакции путем известкования почвы, применения определенных минеральных удобрений и др.); в) биологические (посев сидератов, многолетних трав, внесение органических удобрений и др.).

водные свойства почв почвенно-гидрологические константы.

Водные свойства почвы

Вода в почве является одним из основных факторов почвообразования и одним из главнейших условий плодородия. В мелиоративном отношении особенно важное значение вода приобретает как физическая система, находящаяся в сложных взаимоотношениях с твердой и газообразной фазой почвы и растением Недостаток воды в почве губительно отражается на урожае. Основной источник воды в почве – выпадающие осадки Содержание воды в почве определяется климатическими условиями зоны и водоудерживающей способность почвы. Роль почвы во внешнем влагообороте и внутреннем влагообмене повышается в результате ее окультуривания, когда заметно увеличиваются влажность, водопроницаемость и влагоемкость, но сокращаются поверхностный сток и бесполезное испарение.

Т е п л о п р о в о д н о с т ь – способность почвы проводить тепло. Она выражается количеством тепла в калориях, проходящего в секунду через площадь поперечного сечения 1 см2 через слой 1 см при температурном градиенте между двумя поверхностями 1оС.

т е м п е р а т у р о п р о в о д н о с т ь – ход изменения температуры в почве. Температуропроводность характеризует изменен ие температуры на единице площади в единицу времени. Она равна теплопроводности, деленной на объемную теплоемкость почвы. Парообразная влага (в почвенной атмосфере) – влага в

форме пара, содержащегося в почвенном воздухе (между

почвенными частицами).

• Относительная влажность почвенного воздуха близка к 100%. В парообразной форме влага двигается от тёплых слоёв почвы к холодным, где конденсируется, при этом её часть

становится доступной для растений. С изменением температуры почвы меняется и форма влаги (пар-конденсат).

• Связанная:

• а) кристаллизационная и химически связанная вода;

• б) прочносвязанная (гигроскопическая, или сорбированная на

поверхности почвы);

• в) рыхлосвязанная (пленочная и капиллярная).

• Кристаллизационная вода – это вода, входящая в состав кристаллической решётки минерала. Влага может быть удалена при нагревании до 105-1080 С.

• Химически связанная вода – это вода (в форме ионов), входящая в состав вторичных глинистых минералов, солей металлов. Она удерживается ионными и молекулярными

силами и не доступна для растений. • Прочносвязанная (или гигроскопическая) вода – это вода

сорбированная на поверхности почвенных частиц, сила притяжения при этом может достигает 10 000 атм. Прочносвязанная вода образует пленку толщиной всего в 2-3

молекулы воды. Эта влага удерживается сорбционными силами почвенных частиц (рис.).

• Гигроскопическая вода растениям недоступна. Она может передвигаться только в парообразном состоянии и находится в равновесии с влажностью почвенного воздуха.

• Рыхлосвязанная (пленочная) вода – это вода в форме поляризованных ориентированных молекул воды H-OH, удерживаемая за счет гидратирующей способности

обменных катионов. По существу эта форма влаги по всем свойствам близка к

свободной воде и по степени подвижности и доступности растениям занимает промежуточное место между прочносвязанной влагой и свободной водой, но связанной

капиллярными силами.Рыхлосвязанная капиллярная вода имеет такую же плотность,теплоемкость, но замерзает при более низкой температуре. Оназаполняет поры, поднимается по капиллярам от грунтовых водили заполняет капилляры после поступления воды сверху на поверхность почв. Такую влагу называют капиллярно-подвешенной. Капиллярная вода, поднимающаяся от грунтовыхвод, по мере подъема заполняет все более тонкие капилляры изамедляет скорость подъема с высотой. В силу поверхностногонатяжения вода поднимается по капиллярам вверх до тех пор,пока сила тяжести столбика жидкости не уравновесит силу

смачивания. В этом случае её называют капиллярно-подпёртой. Установлено, что капиллярная кайма, т.е. высота капиллярного подъема в среднезернистых песках равна 15–30

см, мелкозернистых – 35–100 см, в супесях – 100–150 см, в

суглинках – 3–4 м. В глинах вода может подниматься на 8 м, а в лессах на 4 м (за два года). При этом во влажной почвекапиллярный подъем происходит в 3-4 раза быстрее, чем в

сухой, где мешают поры, заполненные воздухом.

Интересно отметить, что в горизонтальном направлении вода по капиллярам может распространяться в большей степени, чем в вертикальном направлении. Именно по этой

причине на комплексных почвенных массивах с близким расположением грунтовых вод влажность почвы над водонепроницаемом для воды и относительно сухим

солонцовым горизонтом В1 может быть высокой даже в засушливые периоды года.

 Гравитационная (свободная) вода – это вода, заполняющая почвенные поры и способная перемещаться в них. Представлена просачивающейся водой (осадков) и водой,

поднимающейся от грунтового потока. Просачивающаяся вода стекает по капиллярам и задерживается в них, илипросачивается до водоупора, где она накапливается и

начинает двигаться по уклону водоупора, образуя почвенно-

грунтовый поток.

Влагоемкость, или водоудерживающая способность, - свойство почвы поглощать и удерживать воду от стеканияпод действием силы тяжести.

• Выделяют весьма влагоемкие (глины, торф), слабовлагоемкие (мел, мергель, глинистые и мелкозернистые пески, лесс) и невлагоемкие (массивные магматические и

метаморфичечкие горные породы и грубообломочные породы - галечники, гравий, песок). К примеру кварц имеет влагоемкость 0.08 л/м3, глина – 500 л/м3.

• Различают максимальную молекулярную, наименьшую,капиллярную и полную влагоёмкость почвы.

• Максимальная молекулярная (адсорбционная) влагоёмкость – это максимальная гигроскопичность почвы (МГ), или способность стабилизировать парообразную воду (1-5%). Когда относительная влажность воздуха приближается к 100% почва насыщается до максимальной гигроскопичности (0.1-1.0% в песках, до 10-15% в глинах и 20-40% в органогенных почвах). По МГ определяют влажность устойчивого завядания растений.

• Влажность устойчивого завядания (ВУЗ) растений изменяется от 1-3% в песчаных почвах до 20% в тяжелосуглинистых. ВУЗ примерно равна 1,5 МГ как нижнего

предела доступности влаги растениям.

• Наименьшая, или полевая, влагоёмкость (НВ) – это наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги, оставшейся после стекания её избытка при глубоком

залегании грунтовых вод. • НВ в песчаных почвах равна 3-5%, суглинстых и глинистых –

18-23%, а в оструктуренных суглинистых почвах может

достигать величины 35-38%.

• Влажность разрыва капилляров (ВРК) – критическая влажность, при которой замедляется рост растений. Для суглинистых и глинистых почв ВРК составляет 65-70% НВ.

Капиллярная влагоёмкость – влага, удерживаемая почвой в пределах капиллярной каймы.

Количество удерживаемой влаги зависит от мощности почвенного профиля и высоты над УГВ (уровнем грунтовых вод). В предельных случаях она равна полной пористости, т.е

варьирует от 26 до 40-45%.

Полная полевая влагоемкасть (ППВ) – наибольшее количество влаги, которое может содержаться в почве при условии заполнения всех пор. Величина ППВ равна общей

пористости (порозности) почвы. Она характеризует полную водовместимость почвы. ППВ для разных почв варьирует от 30 до 80% от веса. Подстилка: 500-800% от веса или 28-64%

объема.

• Водопроницаемость–свойство почвы пропускать через себя воду.

Скорость просачивания воды в почву по мере ее увлажнения изменяется, и можно выделить по крайней мере три стадии: первоначальное впитывание, просачивание и фильтрация.

Измеряется количеством мм водного слоя в 1мин (мм/мин).

Наилучшей водопроницаемостью (по Н.А. Качинскому) считается та, когда при столбе воды 50 мм и t=+100C почва пропускает от 500 до 100 мм.

Водопроницаемость играет большую роль как в жизни почв, так и сохранении почвенного плодородия. Высокая водопроницаемость лесных подстилок обеспечивает впитывание влаги в почву после ливней, таяния снега. Наоборот, низкая фильтрация, свойственная

уплотнённым горизонтам, способствует образованию поверхностного стока воды, развитию эрозионных процессов, формированию внутрипочвенной верховодки, заболачиванию,

непродуктивному испарению влаги в атмосферу. в ельнике-черничнике водопроницаемость сильноподзолистой суглинистой почвы после удаления лесной подстилки уменьшалась в 3-4 раза, одновременно резко возрос сток воды [Роде, 1955]. • Лесные почвы, как правило, благодаря агрегированности обладают высокой водопроницаемостью.

• Но в солодях и глеево-подзолистых почвах даже под лесом горизонт А2 обычно почти непроницаем для воды. В степных и лесостепных районах аридного пояса подобная картина типична для солонцового B1 и подсолонцового B2 горизонтов, а также слитых почв.

• Гумус в глинистых почвах увеличивает водопроницаемость, так как склеивает почвенные частицы и обеспечивает их агрегацию. В этом случае помимо капиллярных пор, в почве появляются межагрегатные и внутриагрегатные поры. Первые обеспечивают

хорошую проницаемость влаги, а вторые ее поглощение и накопление. В песчаных почвах гумус уменьшает водопроницаемость за счет повышения влагоемкости. Это является

одним из главных резервов поднятия ее плодородия.

4) Водоподъемная способность почвы, т. е. способность подавать влагу из своих нижних слоев в верхние, откуда влага подвергается испарению (испаряемость почвы). Поднятие воды при этом происходит по капиллярным промежуткам, по которым движение воды происходит независимо от силы тяжести. Бесструктурная почва при уплотнении представляет собою подобие фитиля, непрерывно подающего влагу из более глубоких слоев. На структурных же почвах испарение происходит медленно вследствие разрыва капилляров. Регулирование испаряемости почвы имеет большое практич. значение, так как заплывшая (бесструктурная) почва в жаркую погоду может потерять огромное количество влаги. В виду этого появившаяся летом на поле после дождя корка должна быть немедленно уничтожаема путем боронования (см.). Получившийся в результате этого рыхлый слой изолирует почвенные капилляры от наружного воздуха. Точно также не следует оставлять невспаханной почву после уборки растений (жнивье). В. с. п. выражают ее водный режим, или водный баланс, определяемый: 1) поступлением влаги и 2) отдачей влаги.То постоянно меняющееся количество влаги, которое находится в данный момент в почве, называется влажностью почвы—весовой или объемной, в зависимости от того, выражается ли она в % от веса сухой почвы или от ее объема.

Если влажность почвы часто является решающим и непосредственным фактором для развития растений, то не меньшее влияние она имеет и на микробиологич. деятельность почвы. На высохшей почве в жаркую погоду всякая микробиологич. деятельность приостанавливается, происходит прямое сгорание органич. вещества, в результате чего непроизводительно теряется нужный для растений азот. При избыточной влажности в почве идут неблагоприятные анаэробные процессы, связанные как с потерей азота, так и с накоплением в почве закисных соединений, вредно влияющих на растения. Влажность почвы оказывает также влияние на ее физич. свойства, уменьшая связность почвы. Пересохшая уплотненная почва бывает иногда настолько связной, что невозможно обработать ее, влажная же почва не оказывает такого сопротивления орудиям обработки и легче крошится на отдельности . Обратное влияние оказывает влажность на прочность почвенной структуры. Непосредственными наблюдениями установлено, что сухая почва легче подвергается размыванию водой, чем влажная почва. Динамика влажности почвы во времени протекает различно в зависимости от растительного покрова почвы и ее культурного состояния. Изучение динамики почвенной влажности производится путем взятия проб почвы с определенной глубины и определения количества влаги. Для этого определения существуют несколько методов: 1) определение разницы в весе до и после высушивания пробы почвы в сушильном шкафу; 2) пикнометрический, спиртовой (по изменению крепости спирта, в который помещается влажная навеска почвы); 3) карбидный (по количеству ацетилена, выделившегося от реакции почвенной влаги с карбидом кальция); 4) электрометрический (по изменению сопротивления в цепи тока) и др. Электрометр ич. метод применяется также для определения влажности почвы непосредственно в полевых условиях.

водный режим почв методы его регулирования.

Водный режим почвы

Запасы воды в почве непрерывно изменяются. Они пополняются атмосферными осадками Р, притоком грунтовых вод Пг и поверхност­ных вод Пп, внутрипочвенной конденсацией влаги К и расходуются на транспирацию растений и испарение с поверхности почвы Е, на отток грунтовых вод Qr и поверхностный сток с данного массива S. Если обозначать прибыль или убыль почвенно-грунтовых и поверхностных вод ΔW, то водный баланс почвы за рассматриваемый период можно выразить уравнением: ΔW =P+Пп+Пг+K-(E+ Qr+S); Все слагаемые уравнения выражают в мм или в м3/га: 1 мм = 10 м3/га. Водный режим почв различен и определяется климатическими; геоморфологическими (рельефными), гидрогеологическими, биологическими (растительный покров) факторами, водно-физическими свойствами почвы, производственной деятельностью человека. Водным режимом почвы называют совокупность всех процессов поступления влаги в почву, ее передвижения, удержания и расхода. Количественной характеристикой водного режима почвы является ее водный баланс. К основным источникам водного баланса относят осадки и грунтовые воды. Кроме того, дополнительными источниками увлажнения почвы служат поверхностный приток и влага, конденсирующаяся из паров воды. Расходные статьи водного баланса состоят из физического испарения воды поверхностью почвы, влаги, затраченной на транспирацию (десукцию) растениями, воды, теряющейся в результате поверхностного и внутрипочвенного бокового стоков, а также инфильтрирующейся в почвенно-грунтовую толщу.

Типы водного режима почв. В различных почвенно-климатических зонах и на отдельных участках местности водный баланс складывается по-разному. Выделяют несколько основных типов водного режима: застойный (мерзлотный), промывной, периодически промывной, непромывной и выпотной.

Коэффициент увлажнения, показывающий отношение годового количества осадков к испаряемости, используют для установления типа водного режима.

Испаряемость — это количество воды, которое может испариться с открытой водной поверхности за определенный период времени.

Застойный (мерзлотный) тип характерен для почв тундры, где многолетняя мерзлота выполняет роль водоупора. Оттаивающая летом почва насыщена влагой большую часть вегетационного периода.

Промывной тип характеризуется ежегодным промачиванием атмосферными осадками всей почвенной толщи до грунтовых вод. Этот тип водного режима свойствен почвам таежно-лесной зоны, влажных субтропиков и тропиков, где осадков выпадает больше, чем испаряется влаги из почвы

Периодически промывной тип присущ почвам лесостепной зоны и характеризуется промыванием почвы до грунтовых вод в годы, когда сумма осадков превышает испаряемость.

Непромывной тип характерен для черноземов, каштановых, бурых почв и сероземов, где испаряемость превышает сумму атмосферных осадков. Почвы и подстилающие породы никогда не промываются до грунтовых вод. Между верхним промачиваемым слоем и границей капиллярной каймы грунтовых вод находится «мертвый» горизонт с постоянной влажностью, близкой к влажности завядания

Выпотной тип возникает в засушливых районах, где испаряемость значительно превышает сумму осадков. Недостаток влаги пополняется за счет грунтовых вод. Если грунтовые воды минерализованы, то происходит засоление почв В зависимости от водного режима формируются автоморфные, полугидроморфные и гидроморфные почвы.

Сезонно-мерзлотный — распространён в регионах, где максимум осадков приходится на летний период и они промачивают почву до уровня грунтовых вод Зимой при этом почва промерзает на глубину более трёх метров, полностью оттаивая лишь в июле-августе. До этого времени водный режим местности носит все черты мерзлотного типа.

Эрозионно-промывной — на участках, подверженных водной эрозии.

Застойный — распространён на заболоченных участках. Все поры почвы оказываются заполненными водой, испарению препятствует специфическая растительность (сфагновые мхи и др.).Характерные почвы: болотные.

Намывной — при ежегодном продолжительном затоплении территории во время разлива рек.

Характерные почвы: аллювиальные (пойменные)

Регулирование водного режима почв. Комплекс мероприятий по регулированию водного режима почв проводят для устранения неблагоприятных условий водоснабжения растений. Его разрабатывают с учетом конкретных почвенно-климатических условий.

Болотные почвы требуют осушительных мероприятий путем устройства открытого или закрытого дренажа. Минеральные гидроморфные (заболоченные) почвы, в которых наблюдается длительный застой воды, затрудняющий или исключающий рост и развитие сельскохозяйственных культур, также подлежат осушению. Однако эти почвы можно использовать в сельском и лесном хозяйстве без дренажа, если они находятся на начальном этапе проявления признаков гидроморфизма. Водный режим почв с временным избыточным увлажнением регулируют такими агротехническими приемами, как гребневание, бороздование, выравнивание поверхности почвы и нивелировка микро- и мезопонижений, в которых застаивается вода, и др. При создании глубокого пахотного слоя, рыхлении подпахотного горизонта увеличивается влагоемкость и улучшаются водный, воздушный и питательный режимы в корнеобитаемом слое. В условиях недостаточного увлажнения применяют различные мероприятия, направленные на накопление, сохранение и рациональное использование влаги в почве. Эффективный способ влагонакопления — задержание снега и талых вод. Лесные полосы, кулисные растения, стерня, валы из снега предохраняют снег от сдувания в зимнее время, увеличивают запасы влаги в почве. Полезащитные лесные полосы также уменьшают испарение влаги с поверхности почвы. Вспашка поперек склона, обваловывание, лункование, прерывистое бороздование и другие приемы способствуют уменьшению поверхностного стока воды. Для снижения физического испарения применяют поверхностное рыхление почвы весной. При бороновании происходит разрыв почвенных капилляров, что обеспечивает «закрытие» влаги и сохранение ее в корнеобитаемом слое. Основной способ улучшения водного режима в засушливых зонах — орошение. Наряду с регулярным орошением поверхностным, подпочвенным способами и дождеванием большое значение имеют приемы разового лиманного и паводкового орошения, а также влагозарядковые поливы.

Коэффициент транспирации у различных растений зависит от водного режима, способов обработки почвы, сортовых особенностей растений и других факторов. При этом наблюдается такая закономерность: с увеличением сухости климата транспирационный коэффициент возрастает, а в более влажных северных районах он снижается.