Водный режим почв, его типы и регулирование. Регулирование водного режима почв Водный режим почвы и способы его регулирования
Водным режимом называют всю совокупность явлений поступления влаги в почву, ее передвижения, удержания в почвенных горизонтах и расхода из почвы. Водный режим почв характеризует поступление воды в почву и расход ее из почвы на отток в грунтовые воды или другие элементы рельефа, на испарение и транспирацию. Последние два явления объединяют часто единым термином суммарное испарение (эвапотранспирация) - в связи с трудностью определения их по отдельности. Обычно водный режим характеризуют следующими параметрами: режим влажности (изменение содержания воды в почве в зависимости от погодных условий и воздействия растений) и водный баланс почв (оценка прихода и расхода воды в почвах в годовом цикле). В последнее время к этим известным параметрам прибавили характеристику гидрологического профиля и гидрологических горизонтов почв. Водный режим важен для понимания генезиса почв, их экологических функций, которые проявляются в поддержании определенного растительного покрова в данных условиях.
Водный баланс, характеризующий приход воды в почву и расход из нее количественно выражается формулой:
Во+Вос+Вгр+Вк+Впр+Вбок=В 1 +Вс+Ви+Вп+Еисп+Етр
где Во запас влаги в почве в начале наблюдений; Вос - сумма осадков за период наблюдений; Вгр - количество поступившей из грунтовых вод влаги; Вк - количество конденсирующейся влаги; Впр - поверхностный приток влаги; Вбок - боковой приток почвенно-грунтовых вод; В 1 - количество влаги в почве в конце наблюдений; Вс - количество влаги бокового стока; Ви - количество инфильтрировавшейся влаги; Вп - количество влаги поверхностного стока; Еисп - количество испарившейся влаги; Етр - количество влаги на транспирацию (десукция).
Левая часть - приходные статьи, правая - расходные.
В большинстве случаев прогрессирующего иссушения или увлажнения территории не происходит и уравнение водного баланса равно нулю. Водный баланс характеризуется годовыми циклами с повторяющимися процессами поступления и расхода влаги. Отметая слабозначимые и компенсирующие составляющие баланса можно записать уравнение приближенно
Во+Вос+Вгр+Впр=В 1 +Ви+Вп+Еисп+Етр
В естественных почвах водный баланс в многолетнем цикле компенсированный, т.е. расход и приход воды в годовом отрезке времени в среднем равны. Он не компенсирован лишь в ряде поливных почв, где вода может поступать в грунтовые воды и увеличивать их мощность и запас воды в почвенно-грунтовой толще, и при направленном изменении климата. Просмотреть маршруты ночных автобусов Питера вы сможете на сайте Peterburg.ru
Таким образом, водный баланс характеризует главную черту водного режима почв, его цикличность, и общий объем воды, проходящий через почву в данных условиях. Любой запас влаги, существующий в данной почве, восстанавливается через определенное время, в пределах которого расход и приход воды в конечном итоге уравнивается. Поэтому оценка водного режима почв по балансу влаги не может служить достоверной его характеристикой. Она говорит лишь об объеме воды, прошедшей через почву в течение гидрологического года.
Для ельника мшистого, расположенного в 3 км от дубо-ельника, ниже по очень пологой катене, уравнение водного баланса выглядит несколько иначе:
755 (осадки) = 323 (отток) + 88 (эвапотранспирация) + 88 (увлажнение почв после иссушения до НВ) + 236 (задержано пологом растений, потеря на смачивание деревьев и мохового яруса).
Главный итог оценки водного баланса исследованных экосистем в том, что удалось выявить количество воды, идущее на водоснабжение растений . Оно равно 80-120 мм в зависимости от типа парцеллы (экосистемы).
Водный баланс может быть составлен применительно к разным почвенным слоям, всей толще почвы или доопределенной глубины. Чаще всего запасы влаги, статьи расхода и прихода выражают в мм водного слоя или в м 3 /га. Содержание влаги вычисляют отдельно для каждого генетического горизонта, так как влажность и плотность сильно меняются по различным слоям почвенного профиля. Запасы воды в отдельном горизонте определяют по формуле:
В=а*ОМ*Н
где а - полевая влажность, %; ОМ - объемная масса (плотность); н - мощность горизонта, см
Для пересчета запасов воды, вычисленных в м 3 /га, в миллиметры водного слоя надо ввести коэффициент 0,1.
Запасы воды в почве, которые учитываются в течение всего вегетационного периода, позволяют судить о обеспеченности культурных растений влагой. В агрономической практике полезно учитывать общий и полезный запасы воды. Общий запас воды - суммарное количество на заданную мощность почвы, выражается уравнением:
ОЗВ = а 1 *ОМ 1 *Н 1 +а 2 *ОМ 2 *Н 2 +а 3 *ОМ3 3 *Н 3…. + аn *ОМn *Нn
Полезный запас воды в почве - суммарное количество продуктивной, или доступной для растений влаги в толще почвогрунта.
Чтобы рассчитать полезный запас влаги в почве, нужно вычислить общий запас влаги и запас труднодоступной влаги, который рассчитывается аналогично предыдущей формуле, но вместо полевой влажности берется влажность устойчивого завядания растений. Разность дает количество полезной влаги в почве.
ПЗВ=ОЗВ-ЗТВ
Для слоя 0-20см запасы более 40 мм считаются хорошими, 20-40 - удовлетворительными, менее 20 - неудовлетворительными. Для слоя 0-100см запасы более 160 мм считаются очень хорошими, 130-160 - хорошими, 90-130 - удовлетворительными, 60-90 - плохими, менее 20 - очень плохими.
Типы водного режима. Водный баланс складывается неодинаково для различных почвенно-климатических зон и отдельных участков местности. В зависимости от соотношения основных статей годового баланса может быть несколько типов водного режима.
Практически характер водного режима определяют по соотношению средних осадков и испаряемости. Испаряемость - наибольшее количество влаги, которое может испариться с открытой водной поверхности или с поверхности постоянно переувлажненной почвы в данных климатических условиях (мм). Отношение годовой суммы осадков к годовой испаряемости именуют коэффициент увлажнения (КУ). Он колеблется от 0,1 до 3 в различных природных зонах.
Тип водного режима определяет особенности перемещения веществ в почве, степень разрушения минералов и обломков горных пород в почвах, само сохранение определенных типов минералов. Так, почвы с промывным типом водного режима отмыты в большинстве случаев от растворимых солей и карбонатов. На Русской и Американской равнинах прослеживается закономерность снижения глубины залегания карбонатов на 30 см при повышении суммы годовых осадков на 100 мм. Напротив, выпотные почвы, как правило, оглеены и могут быть обогащены растворимыми солями. При этом состав солей определяется типом водного режима плакоров (водоразделов и пологих склонов). В аридной зоне - это хлориды, сульфаты и карбонаты кальция, натрия, магния, в гумидной - карбонаты кальция, соединения железа.
Водный режим определяет содержание воды в почве в течение года и отдельных его периодов, ее движение в системе грунтовые воды-почва-растение-атмосфера. Водный режим влияет на рост растений (обычно в сельскохозяйственном производстве на 1 т продукции затрачивается 1000 т и более воды).
С водным режимом связаны химический состав почв, их кислотность. Так, наиболее вероятны значения рН для верхних горизонтов (А, В) почв, обладающих промывным водным режимом, - менее 6.
Водный режим определяет судьбу загрязненных почв. Промывной режим может постепенно привести к самоочищению почв, в условиях непромывного режима загрязнение становится постоянным фактором.
Г.Н. Высоцкий выделял 4 типа водного пежима, А.А. Роде развил его учение, выделив 6 типов.
1. Мерзлотный тип. Имеет место в районах распространения вечной мерзлоты. Мерзлый слой грунта, являясь воодоупором, обуславливает наличие надмерзлотной верховодки, поэтому верхняя часть оттаявшей почвы в течение вегетационного периода насыщена водой. Почва оттаивает на глубину 1-4м. Годовой водооборот охватывает лишь почвенный слой.
2. Промывной тип (КУ > 1). Характерен для местностей, где сумма годовых осадков больше величины испаряемости. В годовом цикле водооборота нисходящие токи преобладают над восходящими. Почвенная толща ежегодно подвергается сквозному промачиванию до грунтовых вод, что приводит к интенсивному выщелачиванию продуктов почвообразования. Годовой влагооборот охватывает всю почвенную толщу. В более засушливых регионах он имеет место лишь при легком гранулометрическом составе. В таких условиях формируются почвы подзолистого типа, красноземы и желтоземы. Болотный подтип водного режима развивается при близком к поверхности залегании грунтовых вод, либо слабой водопроницаемости почвообразующих пород.
3. Периодически промывной тип (КУ= 0,8-1,2; в среднем 1) характеризуется средней многолетней сбалансированностью осадков и испаряемости. Годовой влагооборот охватывает только почвенную толщу (непромывные условия) в сухой год и весь слой до грунтовых вод (промывные условия) во влажный год. Промывание бывает раз в несколько лет. Такой водный режим характерен для серых лесных почв, черноземов выщелоченных и оподзоленных.
4. Непромывной тип водного режима (КУ менее 1) свойственен местностям, где влага осадков распределяется только в верхних горизонтах и не достигает грунтовых вод. Связь между атмосферной и грунтовой водой осуществляется через слой с очень низкой влажностью, близкой к ВЗ (мертвый слой). Обмен влагой происходит путем передвижения воды в форме пара. Такой водный режим характерен для степных почв - черноземов и каштановых, бурых полупустынных и серо-бурых пустынных почв. В указанном ряду почв уменьшается количество осадков и растет испаряемость. Коэффициент увлажнения уменьшается от 0,6 до 0,1. Годовым влагооборотом охвачена толща почвогрунтов от 4 м в степях до 1 м в пустынях. Запасы влаги, накопленные в степных почвах к весне за счет позднеосенних осадков и талой воды, интенсивно расходуются на транспирацию и физическое испарение, становясь к осени ничтожными. В полупустынной и пустынной областях без орошения земледелие невозможно. Расход влаги идет преимущественно на транспирацию, поэтому преобладают нисходящие токи влаги. Вся инфильтрующаяся влага возвращается в атмосферу.
5. Выпотной (десуктивно-выпотной) тип водного режима (КУ менее 1) проявляется в степной, особенно полупустынной и пустынной зонах при близком залегании грунтовых вод. Характерно преобладание восходящих потоков влаги в почве за счет ее подтока по капиллярам от грунтовых вод. Верхняя часть капиллярной каймы входит в почвенный слой. Почвенно-грунтовые воды аллохтонные, т.е. имеющие дополнительное грунтовое питание. Годовой водооборот охватывает всю почвенно-грунтовую толщу. При высокой минерализации грунтовых вод в почву попадают легкорастворимые соли и почва засоляется. Выпотной тип водного режима проявляется и в некоторых районах Беларуси, преимущественно на Полесье. Собственно выпотной тип наблюдается при очень близком, в пределах почвенного профиля, залегании грунтовых вод. Верхняя граница капиллярной каймы выходит на дневную поверхность. В этом случае преобладает не транспирация, а физическое испарение.
6. Иригационный тип создается при дополнительном увлажнении почвы оросительными водами. При орошении в разные периоды проявляются разные типы водного режима. В период полива имеет место промывной тип, сменяющийся непромывным и даже выпотным, то есть в почве периодически преобладают то восходящие, то нисходящие потоки влаги.
Выделяют также подтипы по источнику увлажнения:
Атмосферное
Грунтово-атмосферное
Атмосферное с дополнительным поверхностным
Грунтово-атмосферное с дополнительным поверхностным
Атмосферное с дополнительным паводковым
Грунтово-атмосферное с дополнительным паводковым
Так, при осушении торфяных почв режим из промывного с атмосферным питанием и полным насыщением (болотный) сменяется дренажным таежным типом. Мелиорированные почвы - особые типы водного режима.
Для каждого типа почвы характерны определенные режимы влажности, т.е. смены почвенно-гидрологических условий. Принято выделять 5 классов влажности:
1) Полное насыщение - водоносный горизонт большую часть вегетационного периода находится в пределах почвенного профиля; влажность изменяется от ПВ до КВ вверху и » ПВ в нижней части профиля; капиллярная кайма находится у дневной поверхности.
2) Капиллярное насыщение - водоносный горизонт иногда в почвенном профиле; капиллярная кайма в пределах профиля; влажность - от КВ до НВ-ВРК вверху, от ПВ до КВ внизу.
3) Периодическое капиллярное насыщение - водоносный горизонт в профиле лишь после снеготаяния, бывает капиллярная кайма в профиле; влажность от КВ до ВРК вверху и от КВ до нВ внизу.
4) Сквозное наименьшее насыщение - весной почва проомачивается насквозь до НВ; нет водоносного горизонта и капиллярной каймы; влажность меняется от нВ-Вз вверху до НВ-ВРК(ВЗ) внизу.
5) Несквозное наименьшее насыщение - весной почва промачивается на некоторую глубину до НВ, ниже всегда находится слой с ВЗ; влажность в пределах НВ-ВЗ.
В дерново-подзолистых и подзолистых почвах КУ обычно 1,2-1,4; режим промывной. В апреле-июле КУ менее 1. Режим влажности обычно периодически капиллярное насыщение. Под культурными растениями, особенно многолетними травами, мощность слоя летнего иссушения - до 1м, а зерновые используют влагу до 0,6-0,7м. В 6-10% случаев бывают засухи, а 1 раз в 3 года на дерново-подзолистых почвах бывает недостаточное обеспечение растений влагой.
Регулирование водного режима - обязательное мероприятие в районах интенсивного земледелия. При этом осуществляется комплекс приемов, направленных на устранение неблагоприятных условий водоснабжения растений. Искусственно меняя приходные и расходные статьи водного баланса, можно существенно влиять на общие о полезные запасы воды в почвах и этим способствовать получению высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.
Регулирование водного режима основывается на учете климатических и почвенных условий, а также потребностей выращиваемых культур в воде. Для создания оптиманых условий роста и развития растений необходимо стремиться к уравниванию количества влаги, поступающей в почву, с ее расходом на транспирацию и физическое испарение, то есть созданию коэффициента увлажнения, близкого к 1.
В конкретных почвенно-климатических условиях способы регулирования водного режима имеют свои особенности. Улучшению водного режима слабодренированных территорий зоны достаточного и избыточного увлажнения способствуют планировка поверхности почвы и нивелировка микро- и мезопонижений, в которых весной и летом может наблюдаться длительный застой влаги.
На почвах с временным избыточным увлажнением для удаления избытка влаги целесообразно с осени делать гребни. Высокие гребни способствуют увеличению физического испарения, а по бороздам происходит поверхностный сток воды за пределы поля. Почвы болотного типа и минеральные заболоченные нуждаются в осушительных мелиорациях - устройстве закрытого дренажа или отводе избыточной влаги с помощью открытой сети.
Регулирование водного режима почв во влажной зоне с большим количеством годовых осадков не ограничивается осушительной направленностью. В ряде случаев даже на дерново-подзолистых почвах летом возникает недостаток влаги и потребность в дополнительном количестве воды. Эффективное средство улучшения влагообеспеченности растений в Нечерноземной зоне - двустороннее регулирование влаги, когда избыток влаги отводится с полей по дренажным трубам, а при необходимости подается на поля по тем же трубам или дождеванием.
Все приемы окультуривания почвы (создание глубокого пахотного слоя, улучшение структурного состояния, увеличение общей пористости, рыхление подпахотного горизонта) повышают ее влагоемкость и способствуют накоплению и сохранению продуктивных запасов влаги в корнеобитаемом слое.
В зоне неустойчивого увлажнения и засушливых районах регулирование водного режима направлено на максимальное накопление влаги в почве и на рациональное ее использование. Один из наиболее распространенных способов - влагозадержание снега и талых вод. Для этого используют стерню, кулисные растения, валы из снега… Для уменьшения поверхностного стока воды применяют зяблевую вспашку поперек склонов, обваловывание, прерывистое бороздование, щелевание, полосное размещение культур, ячеистую обработку почвы и др.
Исключительная роль в накоплении почвенной влаги принадлежит полезащитным лесным полосам. Предохраняя снег от сдувания в зимнее время, они способствуют увеличению запасов влаги в метровом слое почвы к началу вегетационного периода на 50-80 мм и до 120 мм в отдельные годы. Под влиянием лесных полос сокращается непродуктивное испарение влаги с поверхности почвы, что также улучшает водообеспеченность полей. Наиболее эффективны ажурные и продувные лесные полосы.
Большое значение в улучшении водного режима почв имеет введение чистых паров, особенно черных. Наибольший эффект чистого пара как агротехнического приема накопления влаги, проявляется в степной зоне и южной лесостепи.
Накоплению и сохранению влаги в почве способствуют многие агротехнические приемы. Поверхностное рыхление почвы весной или закрытие влаги боронованием позволяет избежать ненужных потерь ее в результате физического испарения. Послепосевное прикатывание почвы изменяет плотность поверхностного слоя пахотного горизонта по сравнению с остальной его массой. Создавшаяся разность плотностей почвы вызывает капиллярный подток влаги из нижележащего слоя и способствует конденсации водяных паров почвенного воздуха. В сочетании с увеличением контакта семян с почвенными частицами, все явления, связанные с прикатыванием, усиливают прорастание семян и обеспечивают потребность растений в воде ранней весной. Применение органических и минеральных удобрений способствует более экономному расходованию почвенной влаги. В овощеводстве для сохранения влаги широко используют мульчирующие материалы.
В пустынной и полупустынной зонах основной способ улучшения водного режима - орошение. Очень важным вопросом здесь является борьба с непродуктивным расходованием почвенной влаги в целях предотвращения вторичного засоления.
Заключение. Водные свойства, наряду с климатом, погодными условиями, типом экосистемы, определяют водный режим почв и, следовательно, их экологическую функцию - водоснабжение растений. Известно, что по отношению к воде все растения можно разделить на гигрофиты (обитающие в воде), гидрофиты (требующие увлажненных почвы), мезофиты (обитающие на почвах с достаточным увлажнением) и ксерофиты, произрастающие на сухих почвах. Именно в этих требованиях растений к воде скрыта основа глобальной зональности растений. Формирование разных климатических поясов с разным водным режимом почв приводит к произрастанию на этих почвах разных ассоциаций растений. Выделяют гумидный пояс (тундра и лесная зона умеренной зоны, тропические дождевые и муссонные леса, субальпийские и альпийские горные пояса, горно-лесной пояс), семиаридные зоны (степная и лесостепная, саванны в тропиках, леса и кустарниковые заросли средиземноморского типа: маквис, чапараль, буш), аридные регионы (сухие степи, полупустыни и пустыни).
Именно влажность почвы определяет разное распределение растений в пределах катены, по микрорельефу, в поймах и на плакоре (водоразделе). В пределах одного ландшафта распределение растений связано прежде всего с водным режимом почв - одной из главных их характеристик.
Характеристика водного режима почв. Гидротермический коэффициент
Водный режим почв — совокупность явлений поступления воды в почвы, ее расхода и изменения физического состояния. Вода — важнейший фактор жизни растений, так как она находится в главном минимуме, особенно в засушливых регионах страны. Она необходима растениям во все фазы роста и развития, причем в больших количествах. Годовое содержание влаги в почве показывает, что ее меньше всего в период активной вегетации культур, поэтому данный показатель необходимо регулировать (рис. 4.1).Рис. 4.1. Годовая кривая влажности почвы
Среди важнейших факторов жизни растений почвенную влагу отличает сильная изменчивость во времени и в пространстве.
Условия увлажнения территории зависят не только от осадков, но и от температурного режима, которые обычно выражают с помощью гидротермического коэффициента (ГТК):
где 2jP —сумма осадков за теплый период или его часть, mm; £j —
сумма положительных температур за этот же период, °С. Гидрометцентр России пользуется такой шкалой:
. если ГТК < 0,4, то это сухая зона;
. 0,4—1,3 — засушливая;
. > 1,3 — влажная.
Различают пять типов водного режима неорошаемых почв:
1) мерзлотный. Он характерен для северных районов вечной мерзлоты, где в теплое время года происходит оттаивание и переувлажнение только верхнего слоя почв (тундровые почвы);
2) промывной. Он встречается в увлажненных районах с преобладанием осадков над испарением, где выпадающие осадки уходят в грунтовые воды (дерново-подзолистые почвы);
3) периодически промывной, когда количество осадков и испарение примерно равны (серые лесные почвы, оподзоленные и выщелоченные черноземы);
4) непромывной. Он характерен для районов с преобладанием испарения над осадками, где промачивается только верхний слой почв, иногда всего до глубины 30—50 см (черноземные и каштановые почвы);
5) выпотный. Он встречается на территориях с непромывным режимом и близким залеганием грунтовых вод (засоленные почвы пустынь и полупустынь).
Формы (категории) воды в почве и водно-физические константы.
Влага поступает в растения не непосредственно из атмосферы, а через почву. На воду в почве действуют различные силы:
. сила тяжести или гравитации. Под ее влиянием выпадающие
осадки не остаются на поверхности, а стекают вниз и проникают
вглубь почвы, вызывая ее промачивание (рис. 4.2);
Рис. 4.2. Проникновение влаги в почву под действием силы тяжести
сорбционные силы, или силы молекулярного притяжения. Они притягивают молекулы воды к мелким (менее 1 мм) частицам почвы и удерживает их силой от 50 до десятков тысяч атмосфер (рис. 4.3);
Рис. 4.3. Действие сорбционных сил на молекулы воды
менисковые, или капиллярные, силы. Они действуют в узких (менее 1 мм) порах почвы — капиллярах и препятствуют дальнейшему стеканию воды вниз (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Менисковые, или капиллярные, силы
В результате влага зависает и образуется промоченный слой толшиной до 1,0— 1,5 м, откуда растения берут влагу (рис. 4.5);
Рис. 4.5. Результат действия менисковых, или капиллярных, сил
осмотические силы. Они вызываются веществами, растворенными в почвенной влаге, например удобрениями, и влекут ее передвижение от мест с меньшей концентрацией этих веществ к местам с их большей концентрацией (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Осмотические силы
В зависимости от сил, которые на нее в основном воздействуют, влага в почве может находиться в нескольких формах или категориях. Они отличаются друг от друга по степени доступности растениям, скорости передвижения, т.е. подвижности и физическому состоянию.
По физическому состоянию различают жидкую влагу, которая усваивается корнями растений, и неусвояемые формы — твердую (лед) и парообразную, которые могут быть использованы растениями только после таяния или конденсации водяных паров, когда они превращаются в жидкую форму.
Формы (категории) почвенной влаги классифицируют следующим образом (по Роде):
по физическому состоянию:
1) усвояемая:
— жидкая (свободная);
2) неусвояемая:
— твердая (лед);
— парообразная;
по степени подвижности:
1) неподвижная:
— химически связанная;
— физически связанная;
— прочносвязанная (гигроскопическая);
2) малоподвижная:
3) легкоподвижная:
— капиллярная;
— гравитационная;
по степени доступности растениям: 1) легкодоступная (продуктивная):
— капиллярная;
— гравитационная;
2) труднодоступная (непродуктивная):
— капиллярно-разобщенная;
— рыхлосвязанная (пленочная);
3) недоступная (непродуктивная):
— прочносвязанная (гигроскопическая).
Водяной пар находится в составе почвенного воздуха в порах почвы, не занятых водой. Он активно передвигается от мест с его большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией в результате диффузии, а также пассивно с общим током воздуха, т.е. путем конвекции. Зимой он передвигается из нижних теплых слоев почвы в верхние, где и конденсируется на границе промерзания почвы (так называемая «зимняя перегонка»). В результате в верхнем метровом слое почвы дополнительно накапливается около 10 мм влаги.
В теплое время, напротив, наблюдаются потери парообразной влаги, когда она поднимается вверх и улетучивается в атмосферу. Но может происходить и обратный процесс, когда парообразная влага из атмосферы попадает в почву и ночью, когда почва остывает, конденсируется в ней в виде «внутрипочвенной росы». Это наиболее
заметно в приморских районах, где воздух насыщен парами воды, а также на легких почвах в районах с континентальным климатом, где днем почва сильно прогревается, а ночью быстро остывает.
По степени подвижности, т.е. скорости передвижения в почве, различают три категории влаги: неподвижная, трудноподвижная, малоподвижная и легкоподвижная.
Неподвижная влага представлена химически связанной, которая входит в состав почвенных минералов, и физически связанной, или гигроскопической. Гигроскопическая, или прочносвязанная, влага состоит из молекул воды, притянутой к мелким (< 1 мм) частицам почвы сорбционными силами, она передвигается только в виде пара.
Трудноподвижная (малоподвижная) влага передвигается очень медленно (несколько сантиметров в год), она представлена рыхлосвязанной, или пленочной, влагой (рис. 4.7).
Рис. 4.7. Прочно- и рыхлосвязанная формы почвенной влаги
Она находится поверх слоя гигроскопической влаги и передвигается от более толстых пленок к менее толстым.
Легкоподвижная влага состоит из гравитационной и капиллярной влаги. Она передвигается сравнительно быстро и на большие расстояния — до нескольких метров.
Подвижность почвенной влаги определяет ее доступность растениям. Чем дальше и быстрее она передвигается в почве от более увлажненных к менее увлажненным местам, в частности, к зоне иссушения вокруг корней, тем она доступнее растениям.
По степени доступности различают три категории влаги: легкодоступная, труднодоступная и недоступная.
К легкодоступной относятся гравитационная и капиллярная влага, которая удерживается почвой с небольшой силой — до 5—10 атм, поэтому корни растений, имеющие сосущую силу от 5—10 до 50— 100 атм, легко добывают ее из почвы. Но гравитационная влага быстро (через несколько суток) исчезает, превращаясь в другие формы, и поэтому является эфемерным источником водоснабжения. Значит основной формой влаги, участвующей в снабжении растений, является капиллярная влага, которая присутствует в почве длительное время. Итак, надо знать и учитывать закономерности передвижения влаги, чтобы направлять ее в нужное место и предохранять от непродуктивных потерь. Капиллярная влага передвигается в почве под влиянием градиентов, т.е. изменения влажности, плотности и температуры почвы, а также от более увлажненных мест к менее увлажненным (рис. 4.8).
Так, когда корни растений потребляют влагу, вокруг них создается зона иссушения, куда через капилляры попадают новые порции воды. Это полезный процесс. Но он может быть и отрицательным. Так, когда почва насыщена влагой, например, после снеготаяния, полива или дождя, ее поверхность высыхает, туда попадают новые порции воды, чтобы в свою очередь испариться в атмосферу. За сутки этот «насос» перекачивает 50—100 т воды (рис. 4.9).
Для того чтобы уменьшить потери, верхний слой неглубоко рыхлят, превращая в нем узкие капиллярные поры в широкие некапиллярные. А в силу физических законов влага не может передвигаться из узких пор в широкие, в результате создается «гидрозамок», и испарение снижается примерно в два раза. Напротив, если надо подтянуть влагу к верху, например, к высеянным семенам, производят не рыхление, а прикатывание почвы. Различия в плотности
увеличивают перемещение капиллярной влаги из рыхлых слоев почвы в плотные, т.е. из широких пор в узкие.
Градиент температуры вызывает перемещение капиллярной влаги от теплых мест к холодным, и наоборот. В частности, с ним связано иссушение почвы весенними ночными заморозками, когда оттаявшая днем почва ночью подмерзает, а влага по капиллярам поднимается вверх и там испаряется.
Труднодоступная влага представлена капиллярно-разообщенной и рыхлосвязанной влагой. Первая находится в капиллярах с воздушными пробками, которые препятствуют ее передвижению (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Капиллярно-разобщенная влага
Рыхлосвязанная располагается в виде пленки поверх прочносвязанной влаги и удерживается почвой с такой силой, что корни растений с трудом ее усваивают.
Недоступная влага — это прочносвязанная (гигроскопическая) влага, которая располагается непосредственно поверх почвенных частиц, и молекулярные силы удерживают ее так прочно, что корни растений не в состоянии ее усвоить. В сумме труднодоступная и недоступная влага образует непродуктивную влагу, которая не усваивается растениями и не создает урожая.
В зависимости от того, в каких формах влага присутствуют в почве, она находится в различном физическом состоянии, которое характеризуется водно-физическими или агрогидрологическими константами. Это уровни увлажнения почвы, резко отличающиеся друг от друга связностью, подвижностью и доступностью почвенной влаги. Перечень этих констант одинаков для всех почв, но их конкретные значения для каждой почвы различны. На рис. 4.11 для примера представлены водно-физические константы метрового слоя тяжелосуглинистой почвы.
Максимальное количество влаги в почве содержится при полной влагоемкости (ПВ) — состоянии увлажнения почвы, когда все ее поры: и широкие некапиллярные, и узкие капиллярные заполнены водой. После стекания гравитационной влаги (через 1—3 сут) почва приходит в состояние наименьшей влагоемкости (НВ). В интервале ПВ—НВ на почвенную влагу действуют в основном силы гравитации.
Рис. 4.11. Водно-физические константы метрового слоя тяжелосуглинистой почвы
Наименьшая влагоемкость — важнейшая водно-физическая константа, показывающая, какое количество воды данная почва может удерживать в себе длительное время и предоставлять ее растениям. От этой величины начинается отсчет запасов продуктивной влаги, которая участвует в создании урожая. Преобладающей формой влаги в почве является капиллярная, которая находится в узких (менее 1 мм в диаметре) порах.
По мере высыхания почвы в нее попадает воздух, и в капиллярах появляются воздушные пробки. Они разрывают сплошность капилляров, замедляют передвижение влаги по капиллярам и тем самым затрудняют снабжение почвы водой. Наступает состояние влажности замедленного роста растений (ВЗР), или влажность разрыва капилляров (ВРК). С этого момента передвижение воды в почве происходит в основном не в жидком виде по капиллярам, а в виде пара, конвекционно-диффузионным путем. В орошаемом земледелии такое состояние соответствует времени проведения полива.
При дальнейшем иссушении, когда будут использованы все запасы легкодоступной влаги, наступает состояние влажности устойчивого завядания растений (ВУЗ) — предел увлажнения почвы, когда формирование урожая прекращается, в почве остается только непродуктивная влага.
Когда почва иссушается до состояния максимальной гигроскопичности (МГ), в ней остается недоступная растениям влага.
М Г определяется для каждой почвы лабораторным путем, а по ней рассчитывается влажность устойчивого завядания по формуле:
Наиболее высокая МГ наблюдается на почвах тяжелого гранулометрического состава и высокогумусированных черноземах, наименьшая — на песчаных почвах.
Таким образом, беспрепятственное снабжение растений водой и создание их урожая происходят в интервале влажности почвы между НВ и ВУЗ. Чем этот интервал шире, тем лучше водоснабжение растений. Для его регулирования используется три группы методов:
1) обеспечивающие исходное увлажнение почвы перед посевом до НВ (все мероприятия по накоплению влаги в почве);
2) увеличивающие НВ (увеличение содержание гумуса в почве, улучшение ее структуры, строения и сложения, внесение навоза);
3) уменьшающие ВУЗ (подбор засухоустойчивых сортов сельскохозяйственных культур, например замена гороха на нут, кукурузы на сорго).
Баланс почвенной влаги. Водный баланс — совокупность статей прихода и расхода влаги в корнеобитаемом слое почвы (для зерновых культур он составляет 1,0—1,5 м, многолетних трав и подсолнечника — 2,0 м и более). Его можно составить за год, вегетационный период или иные сроки.
Для неорошаемых условий его можно представить таким образом:
где Wt — запас влаги в конце периода, например, после уборки (м3/га или мм/га); IV0 — запас влаги в начале периода, например, перед посевом; О — количество осадков за изучаемый период, например вегетационный; <7Ф — количество воды, поступившей из грунтовых вод (при их близком расположении к поверхности, когда капиллярная кайма доходит до корнеобитаемого слоя (рис. 4.12); qK — величина конденсации парообразной влаги (для легких почв и в приморских районах); 2*п (сумма п) — потери влаги на физическое испарение почвой; Т — транспирация, т.е. расход влаги растениями; qtt — потери на инфильтрацию влаги вниз за пределы корнеобитаемого слоя (в условиях промывного режима увлажнения); qn — поверхностный сток и снос снега; qc — расход влаги сорняками.
Основная приходная статья влаги в неорошаемых условиях — атмосферные осадки. Не имея возможности их регулировать, необходимо добиваться их более полного усвоения.
Грунтовые воды залегают обычно глубоко и не могут усваиваться растениями. Поступления конденсационной влаги также сравнительно невелики.
В расходных статьях влаги главное внимание следует уделять ее непродуктивным потерям из почвы, сводя их к минимуму.
Рис. 4.12. Поступление влаги за счет грунтовых вод
Так, вблизи г. Саратова в год выпадает 390 мм осадков. Из них продуктивно (на транспирацию) расходуется всего 150 мм, или 38%. Остальная влага (62%) теряется совершенно бесполезно (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Расход влаги на черноземных почвах Саратовского правобережья
Основные пути регулирования водного режима почв. Недостаточность и неравномерность выпадения атмосферных осадков, огромные непроизводительные потери влаги из почвы, составляющие более 60% годовой суммы осадков, вызывают необходимость регулирования водного режима почв в засушливых условиях. Приемы его регулирования можно разделить на четыре группы:
1) мероприятия мелиоративного характера;
2) мероприятия по воздействию на климат;
3) мероприятия по воздействию на почвы;
4) мероприятия по воздействию на сами растения.
К первой группе относятся орошение в засушливых районах и осушение в увлажненных.
Мероприятия второй группы — это посадка лесополос, устройство прудов и водохранилищ. Они уменьшают дефицит влажности воздуха, а лесополосы еще и снижают скорость ветра. За счет этого уменьшается испарение воды почвой и растениями. Кроме того, они приостанавливают рост оврагов и тем самым дальнейшее опускание уровня грунтовых вод и аридизацию территории. К третьей группе мероприятий относятся:
1) приемы повышения почвенного плодородия (внесение удобрений, увеличение содержания гумуса и др.), в результате чего снижается транспирационный коэффициент растений, так как на плодородных почвах они экономнее расходуют влагу в соответствии с законом совокупного действия факторов роста;
2) приемы, обеспечивающие более полное усвоение осадков почвами и растениями:
* повышение водопроницаемости почв за счет их глубокой и ранней обработки, улучшение структуры, строения и сложения почв. При этом осадки лучше впитываются в почвы, а растения развивают более мощную и глубокую корневую систему и полнее используют влагу;
. задержание снега и талых вод (посадка лесополос, посев кулис, сохранение стоящей стерни при безотвальной обработке почв, снегопахание, обработка почв поперек склона, позднеосеннее щелевание почв);
3) уменьшение потерь влаги из почв:
. сокращение физических потерь влаги на испарение;
— придание обрабатываемому слою почв оптимального строения и сложения (в засушливых условиях это плотность — в пределах 1,1 — 1,3 г/см3, общая порозность — 55—60%, соотношение в ней капиллярной и некапиллярной порозности — 2: 1—3: 1, аэрация — около 15—20%; в условиях достаточного увлажнения соответственно 1,15—1,35 г/см3; 46—56%; 1,5: 1; не менее 15%);
— выравнивание почв в теплый период;
— своевременное послеуборочное лущение, ранневесеннее покровное боронование;
— прикатывание рыхлых почв в сухое время года (после посева, после культивации пара);
— мульчирование почв растительными остатками (стерней при безотвальной обработке, измельченной соломой);
. уничтожение сорняков;
. своевременное и качественное выполнение полевых работ (предпосевной обработки почв и посева, ухода за парами и т.д.);
4) введение в севооборот чистых паров, которые аккумулируют выпадающие осадки и сохраняют их к посеву сельскохозяйственных культур.
К четвертой группе мероприятий можно отнести прежде всего подбор засухоустойчивых культур и сортов, имеющих низкий транспирационный коэффициент, глубокую и мощную корневую систему с высокой сосущей силой корней, а также более высоким выходом товарной продукции по отношению к побочной.
В табл. 4.1 показана шкала оценки весенних влагозапасов почв, в том числе их оптимальные показатели.
Таблица 4.1 Оценка весенних влагозапасов почв (по методике Гидрометцентра)
ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВЫ , совокупность явлений и процессов, определяющих передвижение, расход и использование р-ниями почвенной влаги; один из факторов плодородия почвы. Зависит от состава и свойств самой почвы (гигроскопичности, водопроницаемости, влагоёмкости [влагоемкости] и др.), климатич. и погодных условий, рельефа, приёмов [приемов] обработки почвы, особенностей возделываемых с.-х. культур. Водный баланс почвы складывается из поступления в неё [нее] влаги (атм. осадки, конденсированная атм. влага, поверхностный и грунтовый сток с соседних участков, поливная вода) и расхода (поверхностный и грунтовый сток, испарение р-ниями и с поверхности почвы) за определ. период.
Постоянная забота о накоплении, сохранении и наиболее полном использовании влаги - центральная задача земледелия засушливых районов. Насколько велики возможности улучшить влагообеспеченность растений, показывают простые расчеты. Даже в самых засушливых районах сухой степи, на границе с полупустыней выпадает в течение года 250 мм осадков, или более 2500 т. воды на каждый гектар. Опытные данные научных учреждений Поволжья показывают, что в полевых условиях тонна воды даёт возможность получить в среднем один килограмм зерна. Управление водным режимом растений в полевых условиях было постоянной целью многочисленных исследователей - агрономов, физиологов, почвоведов. Важнейшим условием улучшения водного режима южных чернозёмов является накопление влаги всеми доступными способами, введение правильных и рациональных севооборотов с научно обоснованным чередованием культур, применение удобрений, совершенствование способов обработки почв и др. Водный режим почвы под культурами севооборота складывается в зависимости от условий влагообеспеченности года и предшественников (Л. Хохлов, 1986; Е.Г. Чагина и др., 1988). В сухостепной зоне наиболее благоприятными для возделывания сельскохозяйственных культур бывают годы, когда осадков выпадает значительно больше, чем среднемноголетняя норма. в среднем за благоприятные годы, выпало всего 366,9 мм осадков, из них за вегетационный период - 115,9 мм и за осенне-зимний - 251 мм, при среднемноголетних нормах соответственно 307,0; 95,7 и 211,3 мм. А в засушливые годы среднее количество осадков снижалось до 250 мм, за вегетационный период их выпадало почти вдвое меньше, то есть для оптимального водного режима под сельскохозяйственными культурами имеет значение не только общее количество осадков, но и сроки их выпадения.
Оптимизация водно-воздушного режима почвы способствует появлению дружных всходов, лучшему росту и развитию культур, повышается их конкурентоспособность по отношению к сорнякам.
В земледелии регулируют главным образом четыре почвенных режима (водный, воздушный, тепловой и питательный) с целью лучше обеспечить культурные растения и полезную микрофлору почвы факторами жизни. Регулирование почвенных режимов приобретает особою актуальность, когда потребность растений в факторах жизни не обеспечивается естественными природным условиями.
Водный режим.
Водный баланс почвы - количественная характеристика водного режима. Он состоит из статей прихода и расхода воды за один и тот же период времени, динамичен и показывает только среднее состояние за определенный отрезок времени, часто за год. Водный баланс (в мм) представляют в виде уравнения:
Bt = B0+(A+P+K+O)-(Т+И+Г+С),
где Bt - запас влаги в конце периода;
B0 - запас влаги в начале периода;
статьи прихода: А - атмосферные осадки; Р - грунтовые воды; К - конденсация паров воздуха; О - орошение;
статьи расхода: Т - транспирация растений; И - испарение с поверхности почвы; Г - инфильтрация в глубокие слои земли; С - поверхностный сток воды и сдувание снега.
Анализ водного баланса позволяет установить наиболее значительные статьи прихода и расхода почвенной влаги и при регулировании водного режима влиять в первую очередь на них. При регулировании водного режима надо знать также водообеспеченность отдельных территорий.
По А. Н. Костикову, водообеспеченность конкретных территорий оценивается расчетным коэффициентом полученным от деления величины естественного поступления воды на ее потребление._По величине этого коэффициента всю территорию страны делят на три района (области): 1) избыточного увлажнения, где коэффициент всегда устойчиво больше 1; 2) недостаточного увлажнения (засушливые), где коэффициент всегда устойчиво меньше 1; 3) неустойчивого увлажнения, где приход влаги в почву то приближается к расходу, то становится больше или меньше его, коэффициент колеблется от 0,5 до 1,3.
В условиях избыточного увлажнения очень важно удалять избыточную влагу, усиливать аэрацию и утеплять почву. Достигается это рядом агротехнических, мелиоративных и других приемов, многие из которых способствуют интенсификации процессов испарения и стока излишней почвенной влаги. Мелиоративные работы по осушению избыточно увлажненных земель связаны с инженерными мероприятиями, из которых широко применяют дренаж, лучше закрытый гончарный. Мелиорация требует дополнительных капитальных вложений, способствует повышению эффективного плодородия почвы й служит одним из направлений интенсификации сельскохозяйственного производства. Избыточное увлажнение почвы снимается также рядом агротехнических приемов: специальными приемами механической обработки почв, гребневыми и грядковыми посевами и другими приемами.
В районах недостаточного увлажнения важнейшими задачами будут следующие: накопление, сохранение и продуктивное использование почвенной влаги, регулирование естественного стока воды, борьба с засолением почвы. Эти задачи хорошо выполняются, когда осуществляют не отдельные приемы, а комплекс, состоящий из агротехнических, мелиоративных, лесомелиоративных, и других приемов. В нем большое значение придается агротехническим мерам. Их роль приобретает еще большее значение в случае применения орошения. Агротехнические приемы разнообразны. Зимой накапливают снег, для чего делают снежные валы или полосы, используют кулисы. Под снежным покровом почва не промерзает глубоко и быстрее оттаивает весной. Поэтому образующаяся из тающего снега вода полнее впитывается в почву. Накопленный на полях снег необходимо удержать от бурного таяния. Поэтому с приближением весны его уплотняют полосами поперек склона. Впитывание и накопление больших количеств воды возможно, если почва обладает хорошими водно-физическими и другими свойствами, высокой водопроницаемостью, большой полевой влагоемкостью.
Эти свойства можно улучшить агротехническими приемами, например приемами, способствующими накоплению органического вещества, улучшению строения пахотного слоя и структуры почвы.
Продуктивное использование влаги достигается созданием благоприятных условий для культурных растений, обеспечивая их остальными факторами жизни. Большое значение имеют оптимальные сроки и высокое качество проведения основной и предпосевной обработок почвы, посева (способ, норма), а также ухода за культурными растениями. Стремятся к тому, чтобы культурные растения быстрее притенили своей надземной массой поверхность почвы, после чего резко сокращается испарение воды с поверхности. До этого поверхность почвы содержат в рыхлом состоянии. Вспашку, посев и последующие обработки осуществляют поперек склона или по горизонталям, чем уменьшают поверхностный сток воды в теплый период года. Для сохранения накопленной влаги применяют мульчирование, ведут активную борьбу с сорной растительностью, вредителями и болезнями культурных растений.
В зоне недостаточного увлажнения большое значение имеет искусственное орошение, успешно развивающееся в нашей страде. Орошение на фоне высокой агротехники и использования сортов интенсивного типа позволяет получать высокие и устойчивые урожаи всех культур на пашне и много дешевого корма на культурных пастбищах.
В районах неустойчивого увлажнения приемы регулирования водного режима должны быть наиболее гибкими, так как в засушливые годы или в отдельные периоды вегетации растений надо решать задачи по накоплению, сбережению и продуктивному использованию воды, во влажные годы - но отводу ее излишков. Здесь громадное значение имеет двустороннее регулирование водного режима соответствующими агротехническими и мелиоративными приемами. Последние в этой зоне должны быть осушительно-оросительными.
Вода в почве - один из важнейших факторов плодородия и урожайности растений. В почвенных процессах, в создании агрономически важных свойств почвы она играет значительную и разностороннюю роль. Эта роль определяется особым положением воды в природе.
Вода - это особая физико-химическая весьма активная система, обеспечивающая перемещение веществ в пространстве. С содержанием воды в почве связаны скорость выветривания и почвообразования, гумусообразование, биологические, химические и физико-химические процессы. В воде растворяются питательные вещества, которые из почвенного раствора поступают в растения. Поскольку при испарении воды затрачивается огромное количество тепла, вода является и терморегулятором почвы и растений, предохраняя их от перегрева солнечной радиацией.
Вода поступает в почву в виде атмосферных осадков, грунтовых вод, при конденсации водяных паров из атмосферы, при орошении. Главным источником воды в почве в условиях неорошаемого земледелия являются атмосферные осадки.
В составе растений содержится 80-90 % воды. В процессе своей жизнедеятельности они тратят огромное ее количество. Для создания 1 г сухого вещества требуется от 200 до 1000 г воды. При недостатке воды в почве формируются неустойчивые и низкие урожаи сельскохозяйственных культур.
Водообеспеченность растений зависит не только от количества поступающей воды в почву, но и от ее водных свойств. При равной абсолютной влажности почвы могут содержать разное количество доступной воды, что обусловлено гранулометрическим составом почв, структурным состоянием, содержанием гумуса и другими показателями, определяющими их водные свойства.
Познание закономерностей поведения почвенной влаги, процессов водопотребления растениями, водных свойств и водного режима имеет большое значение для управления и оптимизации водного режима с целью получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.
В изучение закономерностей взаимосвязей между водой, почвой и растением большой вклад внесли А. А. Измаильский, Г. Н. Высоцкий, П. С. Коссович. Основы учения о водных свойствах почв и водных режимах изложены в трудах А. Ф. Лебедева, С. И. Долгова, А. Н. Роде, Н. А. Качинского и других ученых.
КАТЕГОРИИ (ФОРМЫ) ПОЧВЕННОЙ ВОДЫ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА И ДОСТУПНОСТЬ РАСТЕНИЯМ
Вода в почвах неоднородна. Разные ее количества имеют неодинаковые физические свойства (термодинамический потенциал, теплоемкость, плотность, вязкость, химический состав, осмотическое давление и т. д.), обусловленные взаимодействием молекул воды между собой и с другими фазами почвы (твердой, жидкой, газообразной). Количества почвенной воды, обладающие одинаковыми свойствами, получили название категорий или форм почвенной воды.
Согласно классификации, разработанной А. А. Роде (1965), в почвах различают пять категорий (форм) почвенной воды: твердую, химически связанную, парообразную, сорбированную и свободную.
Твердая вода - лед. Эта категория воды является потенциальным источником жидкой и парообразной воды. Появление воды в форме льда может иметь сезонный (сезонное промерзание почвы) или многолетний («вечная» мерзлота) характер. Лед переходит в жидкое и парообразное состояние при температуре воды выше 0°С.
Химически связанная вода входит в состав химических соединений (минералов) в виде гидроксильной группы - так называемая конституционная вода или целыми молекулами - кристаллизационная вода (CaSO 2Н 2 О, Na 2 SO 4 10Н 2 О).
Конституционную воду удаляют из почвы прокаливанием при температуре 400-800 ˚С, кристаллизационную - при нагревании почвы до 100-200 °С. Химически связанная вода -важный показатель состава почвы; она входит в состав твердой фазы почвы и не является самостоятельным физическим телом, не передвигается, не обладает свойствами растворителя и недоступна растениям.
Парообразная вода содержится в почвенном воздухе, в порах, свободных от воды, в форме водяного пара. Парообразная влага может передвигаться вместе с током почвенного воздуха, а также диффузно из мест с большей упругостью водяного пара в места с меньшей упругостью.
Несмотря на то что общее количество парообразной воды не превышает 0,001 % массы почвы, она играет большую роль в перераспределении почвенной влаги и предохраняет корневые волоски растений от пересыхания.
Конденсируясь, пар переходит в жидкую воду. В почве парообразная влага передвигается от теплых слоев к более холодным. В связи с этим возникают восходящие и нисходящие сезонные и суточные потоки водяного пара. За счет восходящего передвижения водяного пара в зимнее время в метровом слое почвы засушливых районов аккумулируется до 10-14 мм влаги.
Физически связанная, или сорбированная, вода образуется путем сорбции парообразной и жидкой воды на поверхности твердых частиц почвы. Физически связанную воду в зависимости от прочности связи с твердой фазой почвы подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную (пленочную).
Прочносвязанная (гигроскопическая) вода образуется в результате адсорбции молекул воды из парообразного состояния на поверхности твердых частиц почвы. Свойство почвы сорбировать парообразную воду называют гигроскопичностью почв, а сорбированную воду - гигроскопической. Прочносвязанная гигроскопическая вода удерживается на поверхности почвенных частиц очень высоким давлением, образуя вокруг почвенных частиц тончайшие пленки.
По физическим свойствам гигроскопическая вода приближается к твердым телам. Она обладает высокой плотностью (1,5-1,8 г/см 3), низкой электропроводностью, не растворяет вещества, отличается повышенной вязкостью, замерзает при температуре от -4 до -78 °С, недоступна растениям.
Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха, близкой к 100 %, называют максимальной гигроскопической (МГ) водой. При влажности почвы, равной МГ, толщина пленки из молекул воды достигает 3-4 слоев.
Величины гигроскопичности и МГ зависят от гранулометрического и минералогического составов, содержания гумуса. Чем больше в почве илистой, особенно коллоидной, фракции и гумуса, тем выше гигроскопичность и МГ.
В минеральных слабогумусированных песчаных и супесчаных почвах максимальная гигроскопичность колеблется от 0,5 до 1 %. В сильногумусированных суглинистых и глинистых почвах максимальная гигроскопичность может составлять 15-16%, а в торфах – до 30-50 %.
Однако за счет поглощения парообразной воды сорбционные силы поверхности почвенных частиц не исчерпываются, даже если влажность почвы достигает максимальной гигроскопичности. При соприкосновении частиц почвы с водой происходит дополнительное ее поглощение и образуется рыхлосвязанная, или пленочная, вода. Она удерживается почвенными частицами менее прочно, очень медленно передвигается от почвенных частиц с большей пленкой к частицам с меньшей пленкой. Толщина пленки достигает нескольких десятков молекул воды и может превышать величину максимальной гигроскопичности в 2-4 раза. Пленочная влага имеет плотность несколько выше плотности свободной воды, обладает пониженной растворяющей способностью, замерзает при температуре -1,5...-4 °С, частично доступна для растений.
Свободная вода - это вода, содержащаяся в почве сверх рыхлосвязанной. Она не связана силами притяжения с почвенными частицами. Различают две формы свободной воды в почве: капиллярную и гравитационную.
Капиллярная вода находится в тонких капиллярных порах почвы и передвигается в них под влиянием капиллярных сил, возникающих на поверхности раздела твердой, жидкой и газообразной фаз. Эта вода наиболее доступна растениям.
В зависимости от характера увлажнения различают капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую воду. При увлажнении почвы сверху атмосферными осадками или оросительными водами формируется капиллярно-подвешенная вода. При увлажнении почвы снизу за счет грунтовых вод в почве образуется капиллярно-подпертая вода. Зону капиллярного насыщения над грунтовой водой называют капиллярной каймой (КК).
Гравитационная вода размещается в крупных некапиллярных порах, свободно просачивается вниз по профилю под действием силы тяжести. Различают гравитационную воду просачивающуюся и влагу водоносных горизонтов. Последняя над водоупорным слоем образует почвенные и грунтовые воды, а также временный горизонт верховых вод.
ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ
Основными водными свойствами почв являются водоудерживающая способность, водопроницаемость и водоподъемная способность.
Водоудерживающая способность - свойство почвы удерживать воду, обусловленное действием сорбционных и капиллярных сил. Наибольшее количество воды, которое способна удерживать почва теми или иными силами, называется влагоемкостью.
В зависимости от того, в какой форме находится удерживаемая почвой влага, различают полную, наименьшую, капиллярную и максимально-молекулярную влагоемкость.
Полная (максимальная) влагоемкость (ПВ), или водовместимость, - это количество влаги, удерживаемое почвой в состоянии полного насыщения, когда все поры (капиллярные и некапиллярные) заполнены водой.
Для почв нормального увлажнения состояние влажности, соответствующее полной влагоемкости, может быть после снеготаяния, обильных дождей или при поливе большими нормами воды. Для избыточно влажных (гидроморфных) почв состояние полной влагоемкости может быть длительным или постоянным.
При длительном состоянии насыщения почв водой до полной влагоемкости в них развиваются анаэробные процессы, снижающие ее плодородие и продуктивность растений. Оптимальной для растений считается относительная влажность почв в пределах 50-60 % ПВ.
Однако в результате набухания почвы при ее увлажнении, наличия защемленного воздуха полная влагоемкость не всегда точно соответствует общей пористости почвы.
Наименьшая влагоемкость (НВ) - это максимальное количество капиллярно-подвешенной влаги, которое способна длительное время удерживать почва после обильного ее увлажнения и свободного стекания воды при условии исключения испарения и капиллярного увлажнения за счет грунтовой воды.
При НВ в почве 55-75 % пор заполнено водой, создаются оптимальные условия влаго- и воздухообеспеченности растений. Величина НВ зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса и сложения почвы. Чем тяжелее почва по гранулометрическому составу, чем больше в ней гумуса, тем выше ее наименьшая влагоемкость. Очень рыхлая и сильноплотная почвы имеют меньшую влагоемкость (НВ), чем почвы средней плотности. Для суглинистых и глинистых почв величина НВ колеблется от 20 до 45 % абсолютной влажности почв. Наибольшие значения НВ характерны для гумусированных почв тяжелого гранулометрического состава с хорошо выраженной макро- и микроструктурой.
По мере испарения и потребления воды растения теряют сплошное заполнение водой капилляров, уменьшаются подвижность воды и доступность ее растениям. Влажность, соответствующая разрыву капилляров, называется влажностью разрыва капилляров (ВРК). Это гидрологическая константа почвы, характеризующая нижний предел оптимальной влажности. Для суглинистых и глинистых почв ВРК составляет 65-70 % НВ.
Максимальное количество капиллярно-подпертой влаги, которое может содержаться в почве над уровнем грунтовых вод, называется капиллярной влагоемкостью (KB).
Максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ) соответствует наибольшему содержанию рыхлосвязанной воды, удерживаемой сорбционными силами или силами молекулярного притяжения.
При влажности, близкой к ММВ, растения обычно начинают устойчиво завядать, поэтому такую влажность называют влажностью завядания (ВЗ) или «мертвым», недоступным для растений запасом влаги в почве. Для разных растений, а также разных периодов их роста (проростки или зрелые растения) влажность завядания будет неодинакова. Особенно чувствительны к критическому состоянию влажности почвы проростки.
Влажность завядания растений определяют методом проростков по С. И. Долгову или расчетным способом, используя процентное содержание воды в почве, равное максимальной гигроскопической влаге. При этом учитывают, что отношение влажности завядания к максимальной гигроскопической влаге в разных почвах для разных растений колеблется от 1 до 3, для незасоленных почв оно чаще составляет 1,3-1,5, для засоленных - несколько выше. Влажность завядания (в %) равна максимальной гигроскопической влажности (в%), умноженной на коэффициент 1,34 (по рекомендации гидрометеослужбы) или 1,5 (по рекомендации Н. А. Качинского):
В3= МГ × 1,34 (1,5).
Влажность завядания различается в зависимости от типа почв и гранулометрического состава (табл. 33).
33. Влажность завядания в почвах разного гранулометрического состава
(по данным Францессона)
В торфяных почвах влажность завядания достигает 50 % массы абсолютно сухой почвы.
Влажность завядания представляет важнейшую гидрологическую константу. На основании данных ВЗ и общего содержания влаги в почве вычисляют запас продуктивной влаги, т. е. той влаги, которая доступна для растений и расходуется на формирование урожая.
Количество продуктивной влаги принято выражать в мм толщины водяного слоя. В таком виде запасы воды лучше сопоставлять с данными по осадкам. 1 мм воды на площади 1 га соответствует 10 т воды.
Запасы продуктивной влаги (в мм/га):
W=0,l×d v ×h(B-B3),
где 0,1 - коэффициент перевода запасов влаги из м 3 /га в мм водяного слоя; d v - плотность почвы, г/см 3 ; h - мощность слоя почвы, см, длят которого рассчитывается запас продуктивной влаги; В - полевая влажность почвы, % на абсолютно сухую почву; ВЗ- влажность завядания, % на абсолютно сухую почву.
Оптимальные запасы продуктивной влаги (по А. М. Шульгину) в метровом слое почвы в период вегетации растений находятся в среднем в пределах от 100 до 200 мм.
Как избыточная влажность (более 250 мм), так и недостаточная (менее 50 мм) отрицательно сказываются на развитии растений и их урожайности.
Водопроницаемость почв - способность почв впитывать и пропускать через себя воду. Различают две стадии водопроницаемости: впитывание и фильтрацию. Впитывание - это поглощение воды почвой и ее прохождение в не насыщенной водой почве. Фильтрация (просачивание) - передвижение воды в почве под влиянием силы тяжести и градиента напора при полном насыщении почвы водой. Эти стадии водопроницаемости характеризуются соответственно коэффициентами впитывания и фильтрации.
Водопроницаемость измеряется объемом воды (мм), протекающей через единицу площади почвы (см 2) в единицу времени (ч) при напоре воды 5 см.
Величина эта очень динамична, зависит от гранулометрического состава и химических свойств почв, их структурного состояния, плотности, порозности, влажности.
В почвах тяжелого гранулометрического состава водопроницаемость ниже, чем в легких; присутствие в ППК поглощенного натрия или магния, способствующих быстрому набуханию почв, делает почвы практически водонепроницаемыми.
Оценку водопроницаемости почв проводят по шкале, предложенной Н. А. Качинским (1970).
При недостаточной водопроницаемости влага или застаивается на поверхности почвы, создавая условия для вымочек посевов, или стекает по уклону местности, способствуя проявлению водной эрозии.
При очень высокой водопроницаемости влага не накапливается в корнеобитаемом слое, быстро фильтруется в глубь почвенного профиля, в условиях орошаемого земледелия происходят потери поливной воды, подъем уровня грунтовых вод и возникает опасность вторичного засоления почв.
Водоподъемная способность - свойство почвы вызывать восходящее передвижение содержащейся в ней воды за счет капиллярных сил.
Высота подъема воды в почвах и скорость ее передвижения определяются в основном гранулометрическим и структурным составами почв, их порозностью.
Чем почвы тяжелее и менее структурны, тем больше потенциальная высота подъема воды, а скорость подъема ее меньше.
На скорость подъема воды влияет также степень минерализации грунтовых вод. Высокоминерализованные воды характеризуются меньшими высотой и скоростью подъема. Однако близкое к поверхности залегание минерализованных грунтовых вод (1 - 1,5 м) создает опасность быстрого засоления почв.
ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ
Под водным режимом понимают совокупность явлений поступления влаги в почву, ее удержание, расход и передвижение в почве. Количественно его выражают через водный баланс, характеризующий приход влаги в почву и расход из нее.
Общее уравнение водного баланса выражают следующим образом:
В 0 + В ос + В г + В к + В пр + В б = Е исп + Е т + В и + В п + В с + В 1
где Во - начальный запас влаги; В ос - сумма осадков за период наблюдения; В г - количество влаги, поступающей из грунтовых вод; В к - количество влаги, конденсирующейся из паров воды; В пр - количество влаги, поступающей в результате поверхностного притока; В б - количество влаги, поступающей от бокового притока почвенных и грунтовых вод; Е исп - количество влаги, испарившейся с поверхности почвы (физическое испарение); Е т - количество влаги, расходуемое натранспирацию (десукция); В и - влага, инфильтрующаяся впочвенно-грунтовуютолщу; В п - количество воды, теряющейся за счет поверхностного стока; В с - влага, теряющаяся при боковом внутрипочвенном стоке; В 1 - запас влаги в почве в конце периода наблюдения. Если за длительный период времени прогрессирующего увлажнения или иссушения территории не происходит, приход и расход воды в почве равны, уравнение водного баланса равно нулю. Запасы воды в почве в этом случае в начале и в конце периода наблюдений могут быть равны: В 0 = В 1 Для склоновых элементов рельефа количество воды, поступающей от бокового притока почвенных и грунтовых вод, равно количеству воды, теряющейся при боковом стоке: В б = В с. Содержание конденсирующейся в почве влаги по сравнению с другими статьями баланса мало, и им можно пренебречь. С учетом этих уточнений уравнение водного баланса приобретает следующий вид:
В ос + В г + В пр = Е исп + Е т + В и + В п.
Еще более простой вид имеет уравнение водного баланса равноценных территорий с глубоким залеганием грунтовых вод:
В 0 + Вос = Е + В 1
где Е - суммарное испарение, или эвапотранспирация.
В зависимости от характера годового водного баланса по соотношению его составляющих - годовым осадкам и годовому испарению - формируются основные типы водного режима.
Отношение годовой суммы осадков к годовой испаряемости называют коэффициентом увлажнения (КУ). В разных природных зонах КУ колеблется от 3 до 0,1.
Для различных природных условий Г. Н. Высоцкий установил 4 типа водного режима: промывной, периодически промывной, непромывной и выпотной. Развивая учение Г. Н. Высоцкого, профессор А. А. Роде выделил 6 типов водного режима, разделив их на несколько подтипов.
1. Мерзлотный тип. Распространен в условиях многолетней мерзлоты. Мерзлый слой грунта водонепроницаем, является водоупором, над которым проходит надмерзлотная верховодка, которая обусловливает насыщенность водой верхней части оттаявшейпочвы в течение вегетационного периода.
2. Промывной тип (КУ > 1). Характерен для местностей, где сумма годовых осадков больше испаряемости. Весь профиль почвы ежегодно подвергается сквозному промачиванию до грунтовых вод и интенсивному выщелачиванию продуктов почвообразования. Под влиянием промывного типа водного режима формируются почвы подзолистого типа, красноземы и желтоземы. При близком к поверхности залегании грунтовых вод, слабой водопроницаемости почв и почвообразующих пород формируется болотный подтип водного режима. Под его влиянием формируются болотные и подзолисто-болотные почвы.
3. Периодически промывной тип (КУ = 1, при колебаниях от 1,2 до 0,8). Этот тип водного режима отличается средней многолетней сбалансированностью осадков и испаряемости. Для него характерны чередование ограниченного промачивания почв и пород в сухие годы (непромывные условия) и сквозное промачивание (промывной режим) во влажные. Промывание почв избытком осадков происходит 1-2 раза в несколько лет. Такой тип водного режима присущ серым лесным почвам, черноземам оподзоленным и выщелоченным. Водообеспеченность почв неустойчивая.
4. Непромывной тип (КУ < 1). Характеризуется распределением влаги осадков преимущественно в верхних горизонтах и не достигает грунтовых вод. Связь между атмосферной и грунтовой водой осуществляется через слой с очень низкой влажностью, близкой к ВЗ. Обмен влагой происходит путем передвижения воды в форме пара. Такой тип водного режима характерен для степных почв - черноземов, каштановых, бурых полупустынных и серо-бурых пустынных почв. В указанном ряду почв уменьшается количество осадков, увеличивается испаряемость. Коэффициент увлажнения снижается с 0,6 до 0,1.
Влагооборот захватывает толщу почв и грунта от 4 м (степные черноземы) до 1 м (пустынно-степные, пустынные почвы).
Запасы влаги, накопленные в почвах степей весной, интенсивно расходуются на транспирацию и физическое испарение и к осени становятся ничтожно малыми. В полупустынной и пустынной зонах без орошения земледелие невозможно.
5. Выпотной тип (КУ < 1). Проявляется в степной, полупустынной и пустынной зонах при близком залегании грунтовых вод. Преобладают восходящие потоки влаги по капиллярам от грунтовых вод. При высокой минерализации грунтовых вод в почву поступают легкорастворимые соли, происходит ее засоление.
6. Ирригационный тип. Он создается при дополнительном увлажнении почвы оросительными водами. При правильном нормировании поливной воды и соблюдении оросительного режима водный режим почвы должен формироваться по непромывному типу с КУ, близким к единице.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА
Каждой почвенно-климатической зоне присущи те или иные типы водного режима почв, которые в зависимости от особенностей возделываемых культур требуют соответствующих мероприятий по его регулированию.
В таежно-лесной почвенно-климатической зоне и в других зонах, где наблюдается избыточное увлажнение почв, используют различные агротехнические приемы, направленные на отвод избыточной влаги из верхних горизонтов почвы: грядкование и гребневание, нивелировку микро- и мезопонижений. При необходимости проводят осушение открытыми канавами, закрытым дренажем, обвалованием, кольматажем и другие мелиоративные приемы.
Избыточное увлажнение можно устранить созданием мощного, хорошо окультуренного пахотного слоя и рыхлением подпахотного горизонта, что обеспечивает повышение влагоемкости почвы и просачивание влаги в нижние слои. Эта влага в засушливые критические периоды вегетации служит дополнительным резервом для выращиваемых растений.
В таежно-лесной зоне иногда бывают засушливые годы, когда сельскохозяйственные культуры из-за недостатка продуктивной влаги резко снижают урожаи. Например, в Московской области из 100 лет 29 бывают засушливыми, 23 - избыточно влажными, 48 - нормальными. Поэтому даже в этой зоне в отдельные годы целесообразно накопление и сбережение влаги атмосферных осадков.
В зонах лесостепи и степи с неустойчивым и недостаточным увлажнением почв основные задачи по регулированию водного режима сводятся к накоплению, сохранению и продуктивному использованию влаги выпадающих осадков для поддержания необходимой обеспеченности возделываемых культур. В этих зонах большое значение приобретают мероприятия, направленные на ослабление поверхностного стока воды, снегозадержание, уменьшение физического испарения воды из почвы.
Важная роль принадлежит системе обработки почвы, чистым парам, борьбе с сорняками, лесополосам. Так, зяблевая обработка почвы, обеспечивая рыхлое строение пахотного слоя, способствует лучшему поглощению дождевых и талых вод, уменьшает поверхностный сток и снижает потери влаги на физическое испарение. Это улучшает влагообеспеченность сельскохозяйственных культур и повышает их урожай.
В засушливых районах Заволжья, Западной Сибири эффективны кулисные пары, способствующие увеличению запасов продуктивной влаги в метровом слое до 50 мм и более (Шульгин). Непроизводительные потери влаги на физическое испарение существенно уменьшаются при проведении весеннего боронования полей, а также при рыхлении поверхностных горизонтов почвы после дождей, предупреждающих образование корки. Послепосевное прикатывание почвы изменяет плотность поверхностного слоя пахотного горизонта по сравнению с остальной его массой. Разность плотностей почвы обусловливает капиллярный подток влаги из нижележащего слоя и помогает возникновению конденсации водяных паров воздуха. Применение минеральных и органических удобрений способствует более экономичному использованию влаги; водопотребление в расчете на 100 кг зерна снижается в среднем на 26 % (Листопадов, Шапошникова).
В овощеводстве для сохранения влаги широко применяют мульчирование почвы различными материалами.
В пустынно-степной и пустынных зонах основной способ регулирования водного режима - орошение. При орошении особенно важно стремиться к уменьшению непродуктивных потерь воды для предотвращения вторичного засоления. Оптимизация водно-физических свойств почв, их структурного состояния способствует улучшению влагообеспеченности растений в различных почвенно-климатических зонах.
Контрольные вопросы и задания
1. Назовите категории (формы) воды в почве. Какова их прочность связи с твердой фазой почвы и доступность растениям? 2. Дайте понятие почвенно-гидрологи-ческих констант, перечислите основные из них. 3. Что называется продуктивной влагой? Как ее вычислить? 4. Назовите и охарактеризуйте водные свойства почвы. Какие свойства почв определяют водные свойства? 5. Дайте понятие водного режима. 6. Охарактеризуйте типы водного режима и приемы их регулирования.