Состояние и формы воды в почве

Состояние и формы воды в почве. Наличие воды является одним из основных условий химических, физико-химических и биологических процессов, совершающихся в почве.

Для большей части почв основным источником почвенной влаги служат атмосферные осадки. Атмосферные осадки испаряются, стекают в виде поверхностного стока, просачиваются вглубь и входят в состав грунтовых и подземных вод. Все эти формы воды имеют существенное значение для почвообразования.

Одно лишь количество годовых осадков не может дать полного представления об атмосферном увлажнении почвы. Важным фактором, в значительной мере определяющим степень атмосферного увлажнения, является испаряемость. Так, например, 600 мм в год атмосферных осадков под Москвой, где испаряемость около 400 мм в год, обеспечивают высокую степень атмосферного увлажнения. Это же количество осадков в Предкавказье обусловливает недостаточное атмосферное увлажнение, так как испаряемость в этом районе около 700 мм в год.

Большое значение имеет распределение осадков на протяжении года. Равномерное выпадение на протяжении года 350 мм осадков на площади распространения каштановых почв Казахстана обусловливает более засушливые условия, чем то же количество осадков , большая часть которых выпадает весной, способствуя активной вегетации растений (сероземы Средней

Увлажнение почвы также зависит от формы осадков. пример, большая часть ливневых дождей не успевает проникнуть в почву и в значительной мере стекает в виде поверхностного стока. Часть осадков выпадает в столь малом количестве (5 мм в сутки и менее), что для растений существенного значения не имеет. В ряде районов существенное влияние на увлажнение почв оказывают росы. С. С. Неустроев наблюдал в пустынях увлажнение почвы росой на глубину 5—10 см. Автор настоящей книги мог убедиться, что в саваннах Африки в сухой сезон обильные росы являются существенным источником увлажнения почвы. Снежный покров не только обеспечивает определенный запас воды, но и предохраняет почву от сильного охлаждения, способствует лучшему проникновению воды в почву.

Вода, содержащаяся в почве, находится во всех трех своих состояниях — твердом (лед), жидком и парообразном. Помимо льда, можно выделить следующие формы воды в почве: 1) химически связанную; 2) парообразную; 3) сорбционно связанную (гигроскопическую и пленочную); 4) свободную воду (капиллярную и гравитационную).

1. Химически связанная (кристаллизационная) вода в почве входит в состав почвенных минералов, занимая определенное место в их кристаллической структуре1. Химически связанная вода не принимает непосредственного участия в процессах почвообразования.

2. Парообразная вода получается за счет испарения поверхностной или почвенной влаги. 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.

3. Сорбционно связанная почвенная вода образуется вследствие действия поверхностных сил твердой фазы почвы на молекулы воды (парообразной или жидкой). Связыванию молекул воды способствует их дипольный характер.

Гигроскопическая вода представляет собой сорбированные молекулы водяного пара. Чем дисперснее почва, чем больше

1 С понятием химически связанной воды не следует смешивать гидроксильную группу, которая входит в кристаллическую структуру минералов как анион, хотя аналитически определяется как Н2О

содержится в ней тонких частиц, тем больше будет суммарная поверхность частиц и, следовательно, тем больше будет сорби-рованной воды. В зависимости от концентрации молекул водяного пара в воздухе (упругости пара) вокруг твердой частицы может образовываться несколько слоев дипольных молекул водяного пара. При высокой относительной влажности воздуха толщина этой пленки равна 20—30 диаметрам молекул водяного пара.

Молекулы гигроскопической воды очень прочно закреплены, они удерживаются давлением около 1—2-109 Па. Для того чтобы их оторвать от твердой частицы, требуется затратить некоторую энергию (например, тепловую). Гигроскопическая рода выделяется при нагревании почвы, находящейся в воздушно-сухом состоянии, примерно до 105°С. Именно таким образом определяется массовое содержание гигроскопической воды почве. Почва, лишенная при нагревании гигроскопической оды, будучи помещенной в обычные условия, вновь приобретает ее вследствие сорбции молекул водяного пара, находящихся в атмосфере.

Наибольшее количество гигроскопической воды почва моет сорбировать из воздуха с относительной влажностью около 00%, т. е. насыщенного водяными парами. Эта величина называется максимальной гигроскопичностью почвы; она увеличивается с уменьшением размера частиц (рис. 22). Эффект сорбции паров воды заметно проявляется у частиц размером 2—3 мкм и резко возрастает у частиц менее 1 мкм.

Поверхностные силы, притягивающие молекулы водяного пара, весьма велики. Поэтому пленка сорбированной воды сильно уплотнена, не содержит растворенных веществ и не способна проводить электрический ток. Сорбировав максимально возможное количество молекул водяного пара из воздуха, поверхностные силы твердой фазы почвы оказываются в состоянии притянуть еще некоторое количество жидкой воды (при наличии последней). Притянутая вода, образующая внешнюю пленку сорбционно связанной воды, получила название пленочной, или рыхлосвязанной. Эта вода удерживается давлением около 1 • 106 Па. Количество пленочной воды может в 2—4 раза превышать максимальную гигроскопичность. Пленочная вода связана значительно менее прочно, чем гигроскопическая, и поэтому может передвигаться (хотя и очень медленно) от почвенных частиц с относительно толстой пленкой к частицам с более тонкой пленкой. Это передвижение осуществляется в любом направлении.

Рыхлосвязанная влага отличается от свободной воды в почве несколько меньшей концентрацией растворенных соединений и, возможно, пониженной температурой замерзания.

4. Свободная вода почвы подчиняется действию физико-механических законов.

Капиллярная вода1 передвигается в тонких порах почвы под действием капиллярных сил. Водоподъемная способность почвы обусловливается подъемом воды по капиллярам. Высота подъема зависит от структурных особенностей почвы, ее гранулометрического состава, формы зерен, их минералогического состава и др.

Изучение капиллярного водоподъема, несмотря на известные различия результатов, показывает логарифмическую зависимость нарастания водоподъемной способности с уменьшением размера частиц примерно до 5 мкм. Дальнейшее уменьшение размера частиц сопровождается резким сокращением водоподъема. Это явление, по-видимому, связано с минералогическим составом частиц мельче 0,005 мм, представленных преимущественно тонкодисперсными силикатами со слоистой кристаллической структурой. Эти минералы обладают значительной сорбцией и способностью к набуханию.

Следовательно, можно ожидать, что наибольшей высотой капиллярного водоподъема обладают почвы и грунты, в гранулометрическом составе которых преобладают частицы размером 0,01 мм. Наблюдения над почвами и грунтами, находящимися в природных условиях, подтверждают это предположение. Расчеты показывают , что при радиусе капилляра в 0,001 мм высота подъема воды около 15 м. В природных условиях капиллярный подъем воды не превышает 5—6 м, обычно же высота капиллярной каймы достигает 2—3 м. Это объясняется тем, что в почвах и грунтах имеет место не сочетание идеальных пор — трубочек, а сложная система каверн трещин, корневых ходов и ходов землероев (рис. 23). Чем протяженнее природные капилляры, тем больше высота капиллярного подъема воды.

Относительно высокий водоподъем характерен для уплотненных почв и грунтов, естественное или искусственное разрыхление почвы резко уменьшает капиллярный подъем. В природных грунтах высота капиллярного подъема возрастает от песков к лёссовидным суглинкам. Высокое содержание частиц менее 0,001 мм неблагоприятно влияет на высоту капиллярного подъема вследствие перекрытия тонких капилляров пленочной ЕОДОЙ и набухающими тонкодисперсными минералами. Влага, заключающаяся в капиллярах внутри почвенных агрегатов и не могущая передвигаться к поверхности испарения, называется капиллярно-внутриагрегатной.

При поверхностном увлажнении почвы образуется капиллярно-подвешенная и пленочно-подвешенная вода. Капиллярно-подвешенная вода может передвигаться в направлении к испаряющей поверхности. Это движение прекращается, когда капилляры в силу недостатка воды разрываются. Влажность, при которой это происходит, называется влажностью разрыва капилляров.

Капиллярно-подпертая вода образуется при подъеме ее снизу вверх по капиллярам от зеркала грунтовых вод или верховодки. Капиллярная вода играет важную роль в процессе перераспределения в почве легко растворимых соединений.

Свободная почвенная вода, не удерживаемая капиллярами и перемещающаяся вниз под действием силы тяжести, называется гравитационной1. Различают гравитационную воду, просачивающуюся (фильтрующуюся) сверху вниз через почвенно-грунтовую толщу, и гравитационную воду, накапливающуюся над водонепроницаемым горизонтом в виде грунтовой воды. Гравитационная вода не только обеспечивает энергичный вынос или горизонтальную миграцию химических элементов, но и способствует возникновению условий недостатка кислорода в почве. При заполнении водой всех пустот почвы и развитии анаэробной микробиологической деятельности начинаются реакции восстановления.

Водопроницаемость представляет собой способность почвы пропускать через себя воду и характеризует скорость просачивания гравитационной воды. Водопроницаемость почв весьма изменчива и в значительной мере зависит от их влажности. При поступлении воды в почву вначале она быстро поглощается в результате образования пленочной и капиллярной форм почвенной воды. В дальнейшем происходит только процесс просачивания (фильтрации) воды, в котором принимает участие лишь гравитационная вода.

Количество воды, удерживаемой почвой, называется влаго-емкостъю. Полная влагоемкость отвечает состоянию полного насыщения почвы водой, когда все поры, как капиллярные, так и более крупные, заполнены водой. Понятию капиллярной влагоемкости соответствует состояние насыщения водой всех капилляров почвы. Полевая влагоемкостъ — количество воды, удерживаемое почвой при промачивании его сверху при условии глубокого расположения грунтовых вод. Наименьшей вла-гоемкостью называется содержание в почве лишь пленочной

воды.

Растениям для нормальной их жизнедеятельности требуется значительное количество воды. Основная масса потребляемой растениями воды идет на транспирацию. Для создания 100 кг зерна пшеницы требуется не менее 10 т воды, а может быть в несколько раз больше. В этих 100 кг будет присутствовать 75 кг слабосвязанной воды, которую можно удалить при температуре 101—Ю2°С. В абсолютно сухом зерне содержится около 40% углерода и 60% усвоенной и преобразованной в процессе фотосинтеза воды, вошедшей в структуру растительных тканей.

Вода из почвы поступает в корни растений благодаря действию осмотических сил, обусловленных концентрацией в растворе соединений. Концентрация клеточного сока, как правило, значительно выше концентрации почвенной влаги. Помимо осмотических сил корневых клеток, всасывающая способность растений увеличивается осмотическим давлением клеточного сока листьев, постоянно теряющих воду вследствие транспирации.

Всасывающая способность корней достигает 100—200 тыс. Па и более; сорбционные силы значительно больше, поэтому гигроскопическая и пленочная вода в почве недоступна для растений. Недоступна для растений и химически связанная вода, а также лед и пар. Остальные формы почвенной влаги могут быть усвоены растениями.

Основная форма почвенной влаги, используемая растениями, — капиллярная. Однако растения начинают проявлять признаки завядания до того, как в почве останется только гигроскопическая вода. Отчасти это объясняется тем, что корневые волоски растений, имеющие диаметр около 0,01 мм, не могут использовать влагу из более мелких пор. Влажность почвы, при которой начинают обнаруживаться признаки завядания растений, называется влажностью завядания. Эта величина зависит как от особенностей почвы, так и от характера растений. Влажность завядания если не определяется экспериментально, то вычисляется умножением максимальной гигроскопичности на 1,5 (коэффициент Н. А. Качинского).