Вода в почвах

Вода в почве как одна из систем почвенной массы находится в разных состояниях и неодинаково взаимодействует с другими сис­темами почвы и окружающей среды.

Части воды, обладающие одинаковыми свойствами, получили название форм почвенной воды.

Твердая вода (лед) является одним из источников жидкой и парообразной воды. Появление воды в форме льда зависит от клима­тических условий и может иметь сезонный или многолетний харак­тер. Чаще всего многолетняя влага приурочена к вечной мерзлоте.

Химически связанная вода включает конституционную и кри­сталлизационную влагу.

Конституционная вода представлена гидроксильной группой ОН в составе Al(OH)₃, Fe(OH)₃, органических и органоминеральных соединений, глинистых минералов. Кристаллизационная вода - это кристаллогидраты различных солей: гипс - CaSO₄ • 2H₂O, ми­рабилит - Na₂SO₄ ^. 10H₂O, бишофит - MgCl₂ ^. 6H₂O, гидрофилит - CaCl₂ ^. 6H₂O и т. д.

Парообразная вода содержится в почвенном воздухе в виде водяного пара. Почвенный воздух практически всегда близок к на­сыщению парами воды и незначительное понижение температуры приводит к конденсации влаги.

Физически связанная (сорбированная) вода представлена двумя формами: прочносвязанная и рыхлосвязанная влага.

Физически прочносвязанная (гигроскопическая) вода адсор­бируется из водяных паров почвенного воздуха твердыми частица­ми почвы, главным образом илистой фракцией. Она прочно удер­живается силами электростатического притяжения и для расте­ний недоступна. В науке и практике чаще всего употребим термин «гигроскопическая влага».

Физически рыхлосвязанная (пленочная) вода представля­ет многомолекулярную пленку вокруг почвенных частиц, в уг­лах их стыка и внутри тончайших пор. Эта вода находится как бы в вязкожидкой форме и ограниченно доступна для растений.

Свободная вода наблюдается в двух формах: капиллярной и гравитационной.

Капиллярная вода находится в капиллярах или на стыках (точках соприкосновения) почвенных частиц. Удерживается в почве силами менискового сцепления. Это основная форма влаги, исполь­зуемая растениями. Она может находиться в разобщенном, или неподвижном, состоянии (влага разрыва капилляров) или в капил­лярно-подвижном, когда все капилляры заполнены. Капиллярная влага является продуктивной формой влаги в почвах.

Гравитационная вода — свободная форма воды в почве, пере­двигающаяся под действием сил тяжести. Занимает крупные поры в почве. Принимает участие в формировании уровня грунтовых вод. Гравитационная вода - явление временное. Длительное ее присутствие в почве вызывает процесс заболачивания.

Формы влаги не являются постоянными по количественному содержанию воды и изменяются в зависимости от уровня влажно­сти почвы. В практике для оценки почв и для почвенно-гидрологи­ческих расчетов пользуются константными категориями, постоян­ными для каждой почвы и ее горизонтов.

Почвенно-гидрологическими константами называют гранич­ные значения влажности, при которых количественные изменения в подвижности и свойствах воды переходят в качественные.

Максимальная гигроскопичность (МГ) - максимально воз­можное содержание в почве гигроскопической воды. Соответствует уровню влажности, когда почва полностью насыщена из атмосфе­ры с относительной влажностью воздуха 94-99 %. Вода в состоя­нии максимальной гигроскопичности не доступна растениям. Это «мертвый запас влаги».

Влажность завядания растений (ВЗ), или коэффициент за- вядания - уровень влажности в почве, при котором начинается устойчивое завядание растений.

Влажность разрыва капилляров (ВРК). Вода при испарении передвигается в жидкой форме к испаряющей поверхности в преде­лах всей промоченной толщи по капиллярам, сплошь заполненным водой. При снижении влажности передвижение воды прекращает­ся или резко затормаживается. Эта критическая величина влаж­ности названа влажностью разрыва капиллярной связи (ВРК). При этом вода неподвижна, но физиологически доступна растениям.

ВРК называют также критической влажностью, так как при влажности ниже ВРК рост растений замедляется и их продуктив­ность снижается.

Наименьшая или полевая влагоемкость (НВ) - максималь­но возможное количество влаги в почве, которое остается в ней после оттока гравитационной воды.

Обычная полевая влагоемкость - это влажность, при кото­рой все капилляры почвы заполнены водой.

Влажность почвы, ее влагоемкость и константы выражают в процентах от массы почвы, или в процентах от объема, что удобно сопоставлять с объемом почвенных пор, учитывая, что плотность воды равна единице. Выражается влагоемкость также в м³ на га. В данном случае ее удобно сопоставлять с нормами орошения. Кроме того, количество воды в почвах часто рассчитывают в мм, что дает возможность сравнивать количество почвенной влаги с атмосфер­ными осадками и объемом воды на определенной площади (1 мм равен 10 м³ воды на га).

А. А. Роде отмечал, что содержащаяся в почвах продуктивная влага в пределах от НВ до ВЗ неравноценна для растений в отно­шении ее доступности и эффективности для их роста и развития. Наибольшей доступностью отличается вода, находящаяся в преде­лах от наименьшей влагоемкости до влажности разрыва капилля­ров. Этот интервал для большинства растений характеризуется оп­тимальными условиями водообеспеченности. От влажности разры­ва капилляров до влажности завядания наблюдается замедление роста. Интересна и другая экологическая особенность оптимума влажности: чем выше влажность почвы, тем меньше воды надо для создания органического вещества. При низкой влажности больше воды расходуется на создание биомассы, чем при высокой влажно­сти.

Общая оценка доступности различных форм воды для растений представлена в табл. 5.10.

Таблица 5.10

Формы воды в почвах, их доступность и способ перемещения к корням (неговелов, Вальков)

Окончание табл. 5.10

творы одной из важнейших категорий природных вод, «основным субстратом жизни», «основным элементом механизма биосферы». Очень примечательно следующее высказывание В. И. Вернадского: «Любое проявление природной воды - глетчерный лед, почвен­ный раствор, гейзер, минеральный источник - составляют единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанные между собой». И. А. Соколов так образно определяет значимость почвенных рас­творов: «Почвенный раствор, как кровь в живом организме, все время движется и обеспечивает обмен веществ и энергией».

Почвенные растворы можно определить как жидкую фазу почв, включающую растворимые соли, органо-минеральные, органиче­ские соединения, газы и тончайшие коллоидные золи - таково оп­ределение В. А. Ковды в его фундаментальном обобщающем труде «Основы учения о почвах» (1973).

Необходимо различать три типа почвенных растворов:

1. Почвенный раствор продуктивной влаги. Это вода свободная, наполняющая капиллярные промежутки и пространства меж­ду агрегатами. Объем почвенного раствора равен объему воды на уровне продуктивной влаги, т. е. в пределах от влажности завядания до наименьшей влагоемкости. Практически важней­шие экологические функции плодородия почв связаны имен­но с почвенным раствором продуктивной влаги. Этот раствор обеспечивает регулярное биологическое снабжение организмов, в первую очередь растительных, водой и элементами питания.

2. Почвенный раствор гравитационной воды в незаболочен­ных почвах - явление временное. Занимает крупные поры, фильтруясь в грунтовые воды. Концентрация веществ в этом растворе невелика и близка к воде родников конкретной ме­стности или в самом приблеженном случае к воде колодцев, т. е. грунтовых вод первого уровня. Мягкие воды северных территорий нашей страны резко контрастны жестким водам южных регионов. Растворы гравитационной влаги возника­ют в любой почве. Их количество определяется в автоморф- ных почвах притоком атмосферных осадков.

3. Почвенный раствор недоступной растениям влаги, т. е. фи­зически прочносвязанной с твердыми частицами почвы. Эта часть почвенных растворов наименее изучена из-за сложно­сти ее извлечения из почвенной массы.

Выделение из почвы разных типов почвенных растворов име­ет свои особенности. Гравитационная вода выделяется из почвы очень легко. Это стекающая влага, лизиметрическая, без при­менения давления. Почвенный раствор продуктивной влаги на уровне заполнения крупных капилляров для выделения требу­ет применения давления 20-50 кг/см². Наибольшие трудности возникают при исследовании почвенных растворов недоступной растениям воды. Выделение пленочной воды (максимальная мо­лекулярная влагоемкость) требует давления 500-1000 кг/см², а вода, близкая к максимальной гигроскопичности, может быть извлечена применением особо высокого давления, порядка 7000­10000 кг/см². Типично общее правило: чем больше в почвах воды, тем легче ее выделение. И, конечно, по мере утяжеления гранулометрического состава трудности извлечения почвенных растворов возрастают. Необходимо иметь в виду некоторую ус­ловность границ различных типов почвенных растворов, как и границ различных форм влажности.

Подводя ретроспективные итоги исследований почвенных рас­творов и обобщая современное состояние вопроса, можно подчерк­нуть следующие основные закономерности:

1. Формирование почвенных растворов - генетический процесс, в котором участвуют все компоненты биогеоценоза и ланд­шафта в целом: атмосферные осадки и газы, абиотические компоненты почвы и почвообразующей породы, живое веще­ство в его многогранном проявлении и в постбиологических циклах превращения. Несомненно участие в конкретных ус­ловиях грунтовых вод, верховодки, поверхностных вод с со­ответствующим минеральным и биологическим накоплением атмосферной пыли и веществ естественного и антропогенно­го происхождения. Полифакторность - существенная черта почвенных растворов.

2. Почвенный раствор как самостоятельная система и как часть более сложной почвенной системы взаимосвязан с другими окружающими системами обменом веществ и энергии, что определяет его роль в формировании и поддержании акту­ального (предклимаксного, климаксного и др.) состояния всей окружающей природной обстановки, от функциониро­вания биоценозов до формирования ландшафтной гидросфе­ры и коры выветривания.

3. Почвенный раствор поликомпонентен. В его состав входят минеральные, органические и органо-минеральные вещест­ва, а также газообразные соединения и микроорганизмы, со­ответствующие экологии раствора конкретной почвы. Формы соединений - истинные молекулярные и ионные растворы и коллоидные золи. Важнейшие катионы: Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH₄+, H+, Al³+, Fe²'. Среди анионов преобладают HCO₃^-, CO₃^2-, NO₃^-, NO₂^-, Cl^-, SO₄^2-, H₂PO₄^-, HPO₄^2-. Среди коллоидов ти­пичны золи кремнекислоты, полуторных окислов железа и алюминия, гумусовых и низкомолекулярных органических веществ. Железо, алюминий и многие микроэлементы (Cu, Ni, V, Cr и др.) в почвенных растворах преобладают в виде комплексных органо-минеральных соединений. Состав ми­крофлоры растворов не изучен.

4. Почвенные растворы адекватно отражают географо-гене­тические особенности конкретных почв или каждому типу почвообразования свойственен свой тип почвенного раствора в его количественно-качественных индивидуальностях: ки- слотно-фульватный в подзолистых почвах, щелочно-фульват- ный в солонцах, гидрокарбонатнокальциевый в черноземах, хлоридно-сульфатный в солончаках и т. д. Эта часть разде­ла почвоведения наиболее изучена и подробно трактуется во всех учебниках, хотя без конкретизации способов получения интерпретируемых данных и отнесения к конкретному типу почвенного раствора.

5. Типична высокая динамичность концентраций почвенного раствора, связанная с изменениями влажности почв, темпе­ратуры, интенсивности метаболизма биоты. Каждый почвен­ный тип отличается своей специфичностью качественно-ко­личественной динамики почвенного раствора. Концентрация растворов неоднозначна в каждый момент исследования в силу ее многофункциональной зависимости от различных факторов. Состав растворов постоянно меняется в зависимо­сти от интенсивности поглощения веществ биотой по сезо­нам, по суточным флуктуациям биологической активности, по фазам развития растений, по погодным условиям и т. д. Архесложная задача познания растворов в условиях твердых констант влажности (наименьшая влагоемкость, влажность разрыва капилляров, влажность завядания), а также по се­зонам и циклам развития растений. Пока известна только великолепная стандартизация растворов по анализам водной вытяжки, правда, весьма далекая от эколого-генетической истины.

6. Характерна пространственная неоднородность почвенных растворов: в каждой точке количественно-качественные ха­рактеристики неоднозначны, будь то зона корневых волосков растений, межпоровое пространство, поверхность твердой илистой или песчаной частицы и др. Ведущим критерием изменчивости являются физические свойства конкретной ис­следуемой почвы. Содержание отдельных компонентов поч­венного раствора существенно изменяется также по генети­ческим горизонтам одного и того же типа почв. Максимум органических веществ находится в почвенном растворе ор-

ганогенных и гумусовых горизонтов. Вниз по профилю почв количество органических веществ резко падает в результате их закрепления и минерализации в верхних горизонтах.

7. Многие почвенные характеристики и свойства так или иначе связаны с почвенными растворами: реакция среды, окисли­тельно-восстановительный потенциал, буфферность, погло­тительная способность, теплоемкость и т. д. Однако практи­куется тенденция рассмотрения и анализа этих явлений или как самостоятельных, или как свойств почвенного раствора, или как особенностей твердой фазы, хотя объективно - все это системное единство почвенной массы.

8. Особо необходимо подчеркнуть экосистемную значимость поч­венных растворов в экогенезе. И. А. Соколов (2004) отмечает: «Почвенный раствор... определяет глобальный процесс пере­распределения веществ в экосфере. Вещества, содержащиеся в почвенном растворе, поступают в грунтовые воды, выносятся в глубокие слои литосферы, сносятся в понижения рельефа, концентрируются на геохимических барьерах, образуя залежи полезных ископаемых, выносятся в конечные водоемы стока».

Отношение растений к почвенной влаге. Наземные растения системой своих побегов постоянно расходуют воду на испарение и транспирацию. Эта вода извлекается корнями растений из почвы. Растения потребляют значительное количество воды на жизнен­ные процессы, рост, образование тканей. Физиологи определяют расход воды транспирационными коэффициентами, которые пред­ставляют количество воды в граммах, необходимое на синтез 1 г сухого вещества. Эти коэффициенты неодинаковы для различных растений (табл. 5.11). Для сельскохозяйственных растений они из­меняются в пределах 300-700, но иногда могут опускаться до 100 и возрастать до 2000.

Таблица 5.11

Средний расход воды на образование 1 г сухого вещества (Шеуджен, онищенко, Столяров и др., 2004)

Расход воды на транспирацию зависит от обеспеченности рас­тения питательными веществами, агрофизического состояния поч­вы, влажности воздуха и содержания воды в почве. Благоприятные экологические условия снижают величины транспирационных ко­эффициентов. Практически единственный источник снабжения растений водой - почвенная влага.

Растения чувствительны как к недостатку влаги в почвах, так и к ее избытку. При недостатке влаги падает тургорное давление клеток, теряется их эластичность, резко снижается динамика всех биохимических процессов, сокращается поглощение углекислоты через устьица, в биомассе накапливаются вещества-ингибиторы - все это приводит к падению биологической продуктивности или к полной гибели растений.

При избытке влаги у растений нарушается кислородный обмен растения, а в почвах накапливаются ядовитые закисные соединения. Для большинства сельскохозяйственных растений содержание возду­ха в почве, обеспечивающее хорошие условия для роста и развития, а также надлежащий газообмен между почвой и атмосферой, равно 20-40 % от порозности. Это обеспечивается уровнем влажности поч­вы, равной 60-80 % от наименьшей (полевой) влагоемкости.

Важнейшей экологической характеристикой почвы является влажность устойчивого завядания или влажность завядания (ВЗ). Она характеризуется коэффициентом завядания. Его величина зависит от количества в почвах коллоидов и глинистых минералов. Почвы, бога­тые гумусом и тяжелые по механическому составу, отличаются более высокими значениями влажности, при которых растения начинают завядать, чем почвы песчаные и супесчаные (табл. 5.12).

Для почвоведения характерны такие парадоксы: сухая почва, находящаяся в комнате, содержит влагу. Например, в образце чер­нозема весом 1 кг количество воды достигает 50-60 г (5-6 % гиг­роскопической воды). А влажная почва слитого чернозема, содер­жащая в 1 кг 200 г воды, физиологически является сухой, так как эта вода прочно связана и недоступна для растений.

Таблица 5.12

Влажность устойчивого завядания для различных почв и растений

Различные растения начинают завядать при различной влажно­сти, т. е. влажность завядания зависит не только от свойств почвы, но и от вида растений. Всасывающая способность корней определя­ет уровень нижней границы доступной влаги. Растения ксерофиты начинают завядать при более низких значениях влажности поч­вы. Влажность завядания служит нижней границей продуктивной влаги. Ее определяют, используют величины максимальной гигро­скопичности:

ВЗ = к ^. МГ,

где МГ - максимальная гигроскопичность;

к - коэффициент завядания, зависящий от растения и типа почвы. В среднем к = 1,50 для тяжелых почв и 1,25 - для легких.

Неодинаковое отношение растений к влажности завядания ил­люстрирует табл. 5.13, которая составлена по материалам многих авторов (Акопян, Бушин, Девятов, Габриэлян, Неговелов и др.).

Таблица 5.13

Влажность завядания различных сельскохозяйственных культур

определяемая по МГ (ВЗ = к • МГ)

Экологический оптимум влажности почвы для нормального роста и развития неодинаков у разных групп растений. Например, для чайного куста оптимальная влажность составляет 80-90 % от НВ. При влажности менее 80 % начинается замедление рос­та. А маш для оптимального роста требует только 50 % от НВ. Обобщающие данные по оптимальной влажности для различных растений приведены в табл. 5.14 (Букин, Веремейчик, Кирюхин, Кучеров, Сулганов и др.).

оптимум влажности почвы для различных растений

Неодинакова длительность выживания различных растений в условиях переувлажнения или затопления. В табл. 5.15 отражена устойчивость различных растений к затоплению.

Таблица 5.15

относительная устойчивость растений к затоплению

Для сельскохозяйственной оценки весенней поемности В. И. Шраг предложил следующую градацию:

- короткая поемность - срок стояния полых вод до 7 дней. Позволяет возделывать большинство культур, принятых для данной зоны;

- средняя поемность - со стоянием воды от 7 до 15 дней. Исключает озимые культуры. Благоприятна для естественных и сеяных трав и большинства плодовых насаждений;

- продолжительная поемность - от 15 до 30 дней. Исключает поле­вые сельскохозяйственные культуры и плодовые. Благоприятна не для всех трав;

- очень продолжительная поемность - состоянием полых вод более 30 дней. Способствует заболачиванию территории и раз­витию болотных травянистых группировок.

Временное переувлажнение может переноситься растениями без ущерба для их биологической продуктивности. С. П. Воронова при- 196

водит ориентировочные придержки для трав. Продолжительность весеннего затопления, переносимая без ущерба, составляет (дни):

Донник белый ........................................................................ 9-12

Люцерна средняя .................................................................. 10-14

Житняк гребневидный ............................................................ 10-17

Костер безостый .................................................................... 24-28

Пырей мелкоцветковый .......................................................... 31-35

Овсяница луговая .................................................................. 21-25

Тимофеевка луговая .............................................................. Более 40

Канареечник тростниковидный ................................................ Более 40

Высокое стояние грунтовых вод в весенний период и даже их выход на дневную поверхность не причиняет существенного вреда и многолетним насаждениям.

Важной характеристикой водных свойств почвы является ее водопроницаемость. Водопроницаемость - способность почвы воспринимать и пропускать через себя воду. Различают две ста­дии водонепроницаемости - впитывание и фильтрацию. Если поры почвы лишь частично заполнены водой, то при поступлении воды наблюдается ее впитывание в толщу почвогрунта; когда почвенные поры полностью насыщены водой, происходит фильтрация воды, т. е. движение в условиях сплошного потока жидкости.

Водопроницаемость зависит от пористости почв, их грануломет­рического состава, структурного состояния. Пески быстро фильт­руют воду, а глины медленно. Структурный глинистый чернозем хорошо водопроницаем, а глыбистый бесструктурный солонец практически является водоупором.

Н. А. Качинским предложена градация почв по водопроницае­мости. Если почва пропускает за час 1000 мм воды, водопроницае­мость считается провальной; от 1000 до 500 мм - излишне высо­кой; от 500 до 100 - наилучшей; от 100 до 70 - хорошей; от 70 до 30 - удовлетворительной; менее 30 мм - неудовлетворительной.

Очень удобно сравнивать водопроницаемость почвы с интенсив­ностью дождя (табл. 5.16).

Таблица 5.16

оценка водопроницаемости почв по интенсивности дождя (Долгов, Житкова)

5.3.