Водно-физические свойства почвы

Водно-физические свойства почв, их значение и связь с другими показателями почвы

К общим физическим свойствам почвы относятся плотность твердой фазы, плотность сложения (объемная масса) и пористость (скважность) почвы.

Плотность твердой фазы — отношение массы ее твердой фазы к массе воды при 4 °C в том же объеме; выражается в г/см3. Ее величина определяется соотношением в почве компонентов органической и минеральной частей. Для органических веществ (опад растений, торф, гумус) плотность твердой фазы колеблется от 0,2 — 0,5 до 1,0 — 1,4 г/см3, а для минеральных соединений — от 2,1 — 2,5 до 4,0 — 5,18 г/см3. Минеральные горизонты большинства почв имеют плотность твердой фазы от 2,4 до 2,65 г/см3, а торфяные горизонты — от 0,2 — 0,3 до 1,0 г/см3.

Плотность сложения — масса единицы объема абсолютно сухой почвы, взятой в естественном сложении; выражается в г/см3. Плотность сложения зависит от минералогического и гранулометрического состава, структуры, и содержания органического вещества. Она может существенно изменяться при обработках, под уплотняющим воздействием передвигающихся машин и орудий. Наиболее рыхлой почва будет сразу после обработки, затем постепенно уплотняется, и через некоторое время ее плотность приходит в состояние равновесия, то есть мало изменяется (до следующей обработки).

Верхние горизонты почвенного профиля, содержащие больше органического вещества, лучше оструктуренные, подвергающиеся рыхлению, имеют более низкую плотность, которая возрастает вниз по профилю. Плотность почвы сильно влияет на поглощение влаги и ее передвижение в профиле, газообмен, развитие корней, интенсивность микробиологических процессов, условия существования почвенных насекомых и животных. Оптимальная плотность корнеобитаемого слоя для большинства культурных растений составляет 1,0 — 1,2 г/см3.

Пористость (или скважность) почвы — суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Ее выражают в % от общего объема почвы и вычисляют по показателям плотности почвы и плотности твердой фазы. Пористость зависит от гранулометрического состава, структурности, деятельности почвенной фауны, содержания органического вещества, в пахотных горизонтах — от частоты и приемов обработки и окультуренности почвы.

Основными водными свойствами почв являются водоудерживающая способность, водопроницаемость и водоподъемная способность.

Водоудерживающая способность — свойство почвы удерживать воду, обусловленное действием сорбционных и капиллярных сил. Количество воды, которое способна удерживать почва, называют влагоемкостью.

Влагоемкости почв, соответствующие максимальному содержанию той или иной формы воды в почве, называются почвенно-гидрологическими константами. К ним относятся полная, наименьшая, капиллярная и максимальная молекулярная влагоемкости.

Полная влагоемкость — 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.

Наименьшая влагоемкость — 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 наименьшей влагоемкости в почве 55−75% пор заполнено водой, создаются оптимальные условия влагои воздухообеспеченности растений. Величина наименьшей влагоемкости 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.

Максимальная молекулярная влагоемкость соответствует состоянию влажности почвы при наибольшем содержании прочнои рыхлосвязанной воды, удерживаемой сорбционными силами и силами молекулярного притяжения.

Водопроницаемость почв — способность почв впитывать и пропускать через себя воду. Различают две стадии водопроницаемости: впитывание и фильтрацию. Впитывание — это поглощение почвой воды и ее прохождение в не насыщенной водой почве. Фильтрация — 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 (см2) 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. При недостаточной водопроницаемости влага 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 почвы.

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 составом почв, их порозностью.

Чем почвы тяжелее и менее структурны, тем больше потенциальная высота подъема воды и меньше скорость подъема ее.

На скорость подъема воды влияет также степень минерализации грунтовых вод. Высокоминерализованные воды характеризуются меньшими высотой и скоростью подъема. Близкое к поверхности залегание минерализованных грунтовых вод (1 — 1,5 м) создает опасность быстрого засоления почв.

Водообеспеченность растений зависит не только от количества поступающей воды в почву, но и от ее водных свойств. При равной абсолютной влажности могут содержать разное количество доступной воды, что обусловлено гранулометрическим составом почв, структурным состоянием, содержанием гумуса и другими показателями, определяющими их водные свойства.

Согласно классификации, разработанной А. А. Роде, в почве различают пять форм почвенной влаги: твердую, химически связанную, парообразную, сорбированную и свободную.

Вода в твердом состоянии — лед. Эта форма влаги является потенциальным источником жидкой и парообразной воды. Недоступна для растений. Появление воды в форме льда может иметь сезонный или многолетний характер. Лед переходит в жидкое состояние при температуре воды выше 0 °C.

Химически-связанная вода входит в состав химических соединений (минералов) в виде гидроксильной группы — так называемая конституционная вода или целыми молекулами — кристаллизационная вода. Неподвижна и недоступна для растений.

Парообразная вода содержится в почвенном воздухе, в порах, свободных от воды, в форме водяного пара.

Прочносвязанная вода — образуется в результате адсорбции молекул воды из парообразного состояния на поверхности твердых частиц почвы. Свойство воды сорбировать парообразную воду называют гигроскопичностью, а сорбированную воду — гигроскопической. Недоступна для растений. Прочносвязанная гигроскопическая вода удерживается на поверхности почвенных частиц очень высоким давлением, образуя вокруг почвенных частиц тончайшие пленки.

Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха, близкой к 100%, называют максимальной гигроскопической влагой.

Величины гигроскопичности зависят от гранулометрического и минералогического состава почв, содержания гумуса. Чем больше в почве илистой, особенно коллоидной, фракции и гумуса, тем выше гигроскопичность.

Рыхлосвязанная или пленочная влага — образуется при дополнительной сорбции воды на поверхности почвенных частиц, при соприкосновении их с почвенной влагой. Частично доступна для растений.

Свободная влага — это вода, содержащаяся в почве сверх рыхлосвязанной. Она не связана силами притяжения с почвенными частицами. Различают две формы свободной влаги в почве: капиллярную и гравитационную. Капиллярная влага 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. Гравитационная вода размещается в крупных некапиллярных порах, свободно просачивается вниз по профилю под действием силы тяжести.

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).