Водно-физические свойства почв

Самой выравненной водопроницаемостью обладает обыкновенный чернозём. В нём слабо выражены трещины. Сложение его равномерно по всей площади.

Полной противоположностью чернозёму является солонец. Его резко выраженная трещиноватость и неравномерность уплотнения в различных точках поля обусловливают сильно варьирующую водопроницаемость, причём местами она приобретает провальный характер. В области трещин на солонце водопроницаемость достигает 100, 200 см и более столба воды в час.

Южный чернозём занимает среднее положение между двумя названными почвами.

Наиболее ценной считается водопроницаемость, выравненная в пределах поля и устойчивая по величине во времени. Движение воды в почве равномерное, параллельными струйками. Всё поле после дождя смачивается одинаково. При поливах легко рассчитать поливную норму воды для промачивания почвы на заданную глубину.

4. Водоудерживающая способность, влагоёмкость и водовместимость почв.

Способность почвы удерживать в себе воду при условиях свободного её оттока называется водоудерживающей её способностью, а количество воды, которое при тех же условиях удерживает почв, характеризует её влагоёмкость. Влагоёмкость выражают в процентах веса сухой почвы, в процентах объёма почвы: для этого весовой процент нужно умножить на числовое значение удельного веса скелета почвы в мм водного столба.

Водоудерживающая способность и влагоёмкость почвы – одни из обязательных характеристик почвенного плодородия. Лишь благодаря этому свойству почва может накапливать в себе и длительно сохранять водные запасы. Однако, несмотря на повышенный интерес к влагоёмкости почвы, до сих пор нет единства мнений ни о природе этого свойства, ни о конкретных величинах влагоёмкости.

4.1. Наибольшая относительная и наименьшая влагоёмкость почвы по Кингу и Коссовичу.

В опытах Кинга колонны песка брались высотой около 3м с поперечником 15 см. Трубы были разъёмные: нижняя секция высотой 0 – 15 см, все остальные по 75 см. Каждая колонна составлялась из однородного песка. После сквозного промачивания колонн сверху вода стекала из них 111 дней при полном отсутствии испарения с поверхности. Результаты опыта представлены в таблице 1.

Таблица 1

Распределение воды в песчаных колоннах после установившегося равновесия в % на сухой песок.

Опыт Г.Н. Боча в лаборатории Коссовича был проведён с фракцией песка диаметром от 0,25 до 0,5 мм. Высота колонны 1,3 м. Труба составлялась из звеньев по 5 см каждое. Колонну с песком увлажняли сверху до сквозного промачивания, затем, защитив от испарения, осталяли её в покое до тех пор, пока вода не приходила в возможное равновесие. Результаты опыта Боча приведены в таблице 2.

Анализируя данные таблиц 1 и 2, Коссович выделил в каждой колонне по степени песка 3 зоны.

1. Самая глубокая зона (120-110 см), граничащая с поверхностью капиллярного раздела – песок-воздух или с поверхностью грунтовой воды, отличается наибольшей влажностью. В случае тонкозернистых песков, а тем более тяжелых по механическому составу пород с сильно выраженной капиллярностью все поры в этой зоне заполняются водой. Коссович эту зону называет «наибольшей зоной влагоёмкости почвы».

2. По мере удаления слоёв песка от грунтовой воды всё меньшее количество капилляров в них заполнено водой. Влажность песка прогрессивно падает. Это зона «относительной или капиллярной влагоёмкости» (110-30 см).

3. Наконец, зона «наименьшей или плёнчатой влагоёмкости почвы» (30 см и выше), до которой не добирается капиллярная вода, находящаяся в непосредственной связи с грунтовой водой нижних почвенных слоёв; её величина не зависит от высоты положения почвенного слоя. Влажность почвы, соответствующая её наименьшей влагоёмкости, не способна передвигаться в почве.

Таблица 2

Распределение воды в однородной песчаной колонне после сквозного промачивания и установления равновесия в % на сухой песок.

5. Водоподъёмная способность почвы.

Вся вода, поступающая в почву, за исключением воды гравитационной, задерживается в ней адсорбционными и капиллярными силами. В дальнейшем она частично испаряется физически, частью потребляется растениями в процессе их транспирации. Оба этих явления возможны только при мобильности воды. Подвижность, мобильность воды в почве имеет исключительно важное значение как для питания растений, так и для всех других процессов, протекающих в ней.

В основе подвижности воды в почве лежат адсорбционная сила почвы и капиллярные явления.

Капиллярные явления имеют в своей основе:

А) молекулярное давление и плёночное натяжение в поверхностных слоях жидкости;

Б) образование менисков при взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела в узких порах;

В) изменение давления непосредственно под мениском в сторону плюса или минуса и передвижение жидкости.

5.1. Молекулярное давление и плёночное натяжение в поверхностных слоях жидкости.

Молекулы жидкости, находясь в тепловом движении, одновременно находятся в молекулярном взаимодействии. Поскольку расстояния между соседними молекулами малы, то в жидкости создаётся так называемый «ближний порядок», т.е. порядок в расположении ближайших молекул, и они колеблются в пределах своих положений равновесия.

Иные условия создаются на поверхности жидкости. Поверхностные слои молекул испытывают на себе притяжение нижележащих и соседних (в горизонтальной плоскости) молекул воды. Атмосфера, как среда менее плотная по составу молекул, не может оказать противодействие этим силам. Силы притяжения, направленные вниз по нормали к поверхности, стремятся увлечь поверхностные молекулы внутрь жидкости. Суммируясь, они обусловливают молекулярное давление в жидкости.

Силовое напряжение отдельных молекул в поверхностной плёнке жидкости уменьшается по мере приближения их к нижней границе зоны молекулярного действия. Это обусловлено тем, что чем «глубже» молекула воды залегает в силовом слое, тем более мощный слой плёнки натяжения остаётся выше её, и он противодействует втягиванию данной молекулы внутрь жидкости.

5.2. Водоподъёмная способность почв.

Часто можно читать и слышать, что плёночные и капиллярные явления в трубках, в чётках, меж пластинками и другими моделями не имеют никакого отношения к почве. В почве нет трубок, нет пластин и т.д. Это плохой аргумент. Никто и никогда не рисовал себе передвижение воды в почве как в системе трубок разного диаметра и формы, потому что каждому известно, что почва – среда полидисперсная и гетерогенная, а почвенные поры представляют собой сложнейший комплекс скважин различной величины и формы в многообразных их сочетаниях.

Капиллярная вода передвигается не во всём объёме почвенных пор, а лишь в их активном просвете. Даже в любых по форме порах по мере их утонения капиллярные явления сначала будут расти в связи с увеличивающейся кривизной менисков, но в дальнейшем они начнут падать. В одних случаях в просветах пор активная порозность вовсе исчезнет.; такие поры теряют физический смысл капилляров и становятся непроницаемыми для капиллярной воды. В других – активная порозность станет столь малой, что всасывающая сила мениска будет затормаживаться силами трения движущейся капиллярной воды о стенки плёнок жидкости, адсорбированной почвой, и капиллярный подъём неизбежно замедлится, а в крайних случаях и вовсе прекратится.

Если иметь ввиду разрушенный, измельчённый почво-грунт, помещённый в трубки или представленный в насыпях, то по многолетним наблюдениям высота капиллярного подъёма воды в минеральном почво-грунте возрастает от песков через супеси к лёссовидным суглинкам. В дальнейшем, по мере утяжеления материала, водоподъёмная способность почво-грунта падает, а в таких глинистых горизонтах, как столбчатый горизонт солонцов, иллювиальные горизонты слитых чернозёмов и подзолов, она почти полностью прекращается.

Поскольку движущим началом подъёма капиллярной воды является отрицательное давление, возникающее под вогнутым мениском, то, очевидно, чем больше это отрицательное давление, тем на большую высоту возможен подъём воды. Например, в однородном по механическому составу и сложению грунте при смачивании его от свободного зеркала воды под вогнутыми менисками активных пор наблюдается отрицательное давление, близкое к 1 атмосфере. Теоретически возможный уровень поднятия воды в просветах активных капиллярных пор определится в 10 м (давление 1 бар). Практически же наблюдённые отрицательные давления в почве редко превышают 0,5 атмосфер.

Также, структурность почв может в корне менять влияние механического состава на водоподъёмную способность почв

Наилучшей водоподъёмностью среди всех почв обладает обыкновенный чернозём.

6. Испаряющая способность почвы и растений.

Вода, поступившая в почву и задержанная в ней в силу влагоёмкости, в дальнейшем расходуется на испарение физическое – самой почвой и транспирационное – в процессе жизнедеятельности растений. Воду потребляет и испаряет всё другое живое население почвы. Значимость процесса испарения в энергетике поверхности земного шара очень велика.

Испарение воды с обнажённой почвы в основном подчиняется закону Дальтона:

,

где Q – интенсивность испарения, ε – критическая и e фактическая упругость водяных паров при данной температуре в мм ртутного столба, (ε – e) – дефицит насыщения воздуха паром, K – коэффициент диффузии водяного пара, пропорциональный разности упругости пара, насыщающего пространство при температуре испаряющей поверхности и упругости пара в окружающем пространстве, P – барометрическое давление в мм ртутного столба.

Однако этот процесс более сложный, нежели испарение с открытой водной поверхности. С одной стороны оно зависит от климата и погоды, с другой – от свойств самой почвы.

Качественная сторона второго вопроса хорошо была освещена в работах Коссовича (1904). Выдвинутые им положения модно свести к трём степеням увлажнения почвы:

1. Почва с поверхности насыщена водой до её влагоёмкости. Это может наблюдаться весной после снеготаяния; в другое время года – после обильных дождей или после искусственного полива. В таком состоянии почва испаряет воды столько же, сколько и открытая водная поверхность или даже больше неё при условии, что поверхность почвы обладает неровностями.

2. В случае глубокого залегания грунтовых вод, когда капиллярная кайма не достигает корнеобитаемого слоя, промоченный с поверхности слой почвы начнёт постепенно просыхать. Вода по капиллярам будет подаваться снизу вверх. Заполненные водой крупные капилляры станут питать мелкие. В этой стадии увлажнения просыхает весь промоченный профиль, но наибольший расход воды отмечается на поверхности. Интенсивность испарения зависит от капиллярной проводимости почвы.

3. Когда в смоченном слое останется лишь тонко капиллярная и адсорбированная вода, передвижение её в жидком виде практически прекращается, наступает стадия диффузного передвижения паров воды из мест с большей упругостью к местам с меньшей упругостью.

На испаряющую способность обнажённой почвы влияет и множество других факторов. Среди них: характер поверхности почвы и рельеф местности, экспозиция склона, цвет почвы, воздухопроницаемость, теплопроводимость и теплоёмкость, наличие растворимых гигроскопических солей в поверхностном слое.

7. Типы водного режима почв.

7.1. Мерзлотный.

В почве имеется вечная мерзлота, в тёплый период оттаивающая на небольшую глубину в пределах мерзлотного слоя, но с сохранением его значительной части. За счёт этого и атмосферных осадков над остаточным мерзлотным слоем формируется верховодка. Характерные почвы: арктические, тундровые, мерзлотные лугово-лесные.

7.2. Сезонно-мерзлотный.

Распространён в регионах, где максимум осадков приходится на летний период и они промачивают почву до уровня грунтовых вод (Амурская область, юг Хабаровского края и др.). 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.