Форма воды в почве и их краткая характеристика

Роль почвенной влаги исключительно велика в почвообразовании (процессы выветривания и новообразования минералов, гумусообразование, химические реакции, в целом обособление и формирование почвенного профиля и т.д.). Говоря словами А.А. Роде /43/, «нельзя познать почвообразовательный процесс, не познав законов, управляющих передвижением и поведением воды в почве и ее взаимоотношениями с остальными составными частями последней, главным образом с ее твердой частью... Не менее важное значение имеет почвенная влага как фактор плодородия почв, а отсюда и как фактор сельскохозяйственного производства». Исходя из этого, вытекает весьма важная задача сельскохозяйственной мелиорации - регулирование водного режима и водного баланса почв.

Проведение гидротехнических мелиораций (орошение, осушение, двустороннее регулирование водного режима) всегда должно увязываться с содержанием и доступностью влаги в почве, т.е. обусловливаться степенью ее связи с почвой, количественным и качественным соотношением различных ее форм. Поэтому четкое представление о формах воды в почве, границах отдельных ее категорий, в пределах которых вода обладает одинаковыми свойствами, важно не только в теоретическом плане, но и в практическом отношении.

В почве вода находится в различных состояниях и формах, а, следовательно, обладает различной степенью доступности для растений. Различают почвенную воду связанную и свободную. Первую частицы почвы удерживают очень прочно, и она не может передвигаться под влиянием силы тяжести, напротив, свободная воды подчинена закону земного притяжения.

Формы воды обстоятельно освещались в работах выдающихся отечественных ученых П. С. Коссовича, Г.Н. Высоцкого, А.Ф. Лебедева, А.А. Роде, монографии и отдельные статьи, которых, наряду с зарубежными исследователями (Митчерлих, Фагелер, Кин, Ричарде и др.), заложили и создали новое направление в почвоведении, а именно почвенную гидрологию.

Литературный обзор последующих многочисленных исследований по этому вопросу приводится в работах А.А. Роде, Н.А. Качинского.

Согласно взглядам А.А. Роде, наиболее полно и на современном уровне обобщившим все предыдущие исследования по этому вопросу, различают следующие категории (формы) почвенной воды:

Химически связанная: а) конституционная; б) кристаллизационная;

Парообразная вода;

Физически связанная или сорбированная вода: а) прочносвязанная вода; б) рыхлосвязанная (пленочная) вода;

Свободная вода:

4.1 Капиллярная вода: а) капиллярно - подвешенная; б) капиллярно - подпертая; в) капиллярно - посаженная (подперто - подвешенная вода);

4.2 Гравитационная вода: а) просачивающая; б) грунтовая;

5. Твердая вода - лед.

Химически связанная вода находится в почве в составе гидратных минеральных, органоминеральных и органических веществ. Ее количество невелико и лишь иногда может достигать 5-12 %, что указывает на значительное содержание в почве выветривающихся силикатов и алюмосиликатов. Эта вода подразделяется на конституционную и кристаллизационную, объединяемых иногда общим понятием гидратной или кристаллогидратной воды.

Конституционная вода является компонентом химического состава минералов, соединений, входя в них в виде гидроксильной группы ОН /гидрооксиды: железа (Ғе(ОН)3; лимонит), алюминия - Аl(ОН)3; гиббсит; марганца - МnО(ОН), манганит; органоминеральные соединения; глинистые минералы/. Выделяется в интервале высоких температур порядка 165-175°, а для некоторых фракций воды от 400 до 800° в зависимости от состава вещества и сопровождается его распадом, например:

2Ғе (ОН)3 → Fe203 + 3Н20

лимонит гематит

Кристаллизационная вода входит в состав вещества целыми водными молекулами кристаллогидратов (медный купорос - CuS04 ∙ 5H20, гипс -CaS04 ∙ 2H20, глауберова соль (мирабилит) - Na2SO4 ∙ 10H2O и т.д.). Удаляется при нагревании от 100 до 200° С. При этом эта вода удаляется не сразу, а скачками - каждой молекуле воды соответствует своя температура. У гипса, например, первая молекула воды удаляется при 107° С, а вторая - при 140-190°. Удаление кристаллизационной воды не приводит к распаду вещества, но изменяет физические свойства. Нагревая гипс при температуре 140-190°, получают полугидрат гипса - алебастр (вяжущий материал), CaSO4 ∙ 0.5H2O

CaS04 ∙ 2Н20 ↔ CaS04 ∙ 0.5Н2О + 1.5Н20

Эта реакция обратима. И если алебастр снова смешать с водой, то получится пластичная масса, быстро твердеющая с образованием гипса в виде прочного камня (CaS04 ∙ 2H20).

Н.А. Качинский отмечает, что кристаллизационная вода определяет видовые особенности «пухлых» солончаков, поскольку входящий в их состав мирабилит кристаллизуется с большим количеством воды и при выпадении из раствора эта соль значительно увеличивается в объеме, раздвигая почвенные частицы, что и создает рыхлость горизонта.

Химически связанная вода (конституционная, кристаллизационная), отличаясь исключительно высокими прочностями связей и полной неподвижностью, не участвует в почвенных процессах и растениям недоступна.

Парообразная вода - это водяной пар порового пространства почвы. Относительная влажность почвенного воздуха почти всегда близка к насыщению ее парами воды, т.е. практически равна 100 %, уже при влажности почвы свыше ее максимальной гигроскопичности. Всякое понижение температуры приводит к конденсации парообразной воды и переводу ее в жидкое состояние, повышение температуры приводит к обратному процессу. Передвижение парообразной воды в поровом пространстве почвы обусловливается упругостью пара (от участков с высокой упругостью водяного пара к участкам с более низкой упругостью), а также вместе с током воздуха.

Парообразная вода недоступна растениям, но ее наличие в почве важно в том плане, что она препятствует просушиванию корней растений.

Физ.связаннаяЭта категория воды в почве обусловливается силами поверхностной энергии почвенных частиц. Поскольку ее величина возрастает с увеличением общей суммарной поверхности частиц, то содержание физически связанной воды зависит от размера частиц, слагающих почву, и наиболее сильно выражена у илистых и коллоидных частиц.

При соприкосновении частиц почвы с водой, молекулы последней притягиваются этими частицами за счет сил сорбции и образуют вокруг них пленку из нескольких слоев молекул воды. Обладая дипольностью (частицы с двумя противоположно заряженными полюсами) молекулы воды притягиваются не только поверхностью почвенных частиц, но и взаимодействуют друг с другом противоположно заряженными полюсами, находясь в строго ориентированным положении. Естественно, что прочность связи молекул воды у поверхности почвенных частиц очень высока, достигая 17-37 тыс. атмосфер. Она значительно снижается по мере удаления от них. Исходя из этого, физически связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода — это вода, которая поглощается почвой из парообразного состояния. Способность почвы сорбировать пары воды из воздуха называется гигроскопичностью, а образуемая при этом влага -гигроскопической. Ее содержание находится в тесной зависимости от гранулометрического состава и, главным образом, от количества илистых частиц, органического вещества почвы, обменных оснований. Это прочносвязанная вода, и она обладает особыми физическими свойствами, приближаясь к твердым телам. Плотность ее достигает 1,5-1,8 г/см3, она не замерзает, неподвижна и не доступна растениям.

Предельное количество воды, которое поглощается почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха 94-98 %, называют максимальной гигроскопической водой (МГ). Это прочносвязанная вода. Осмотическое давление в самом поверхностном слое при насыщении почвы до МГ составляет около 50 атм. Растениям (кроме некоторых солянок, у которых осмотическое давление клеточного сока в корнях может достигать 70 атм.) эта вода недоступна. Ее содержание в различных почвах колеблется от нескольких десятых долей процента в песках до 10-15 % в хорошо гумусированных глинистых почвах (в торфах >20 %).

Гигроскопическая и максимально гигроскопическая влага удаляются из почвы нагреванием до 105°.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода. Почва, насыщенная влагой до максимальной гигроскопичности, больше не поглощает парообразную воду, но при соприкосновении с жидкой водой происходит притягивание ее молекул силой ориентированных молекул прочносвязанной воды (ГВ и МГ). Добавочная вода сверх МГ, которая удерживается в почве сорбционными силами из жидкой фазы, является водой пленочной или рыхлосвязанной. Сила, с которой она удерживается по границе слоев с МГ, составляет около 50 атм. и уменьшается к периферии этой категории воды до 3-4 атм., в связи с чем физическое состояние ее очень неоднородно. Находясь в почве как бы в вязко-жидкой форме, пленочная вода может, хотя и очень медленно (со скоростью несколько десятков сантиметров в год), передвигаться от почвенных частиц с толстыми водяными пленками к частицам с тонкими пленками. В связи со слабой мобильностью и довольно высоким давлением, которым эта вода удерживается почвой, она очень трудно усваивается растениями и может соответствовать влаге завядания растений (ВЗ). Верхний предел ВЗ измеряется величинами в пределах 1,2-2,5 МГ (в среднем 1,5 МГ) с напряжением влаги (т.е. силами удерживающими воду) в 15-20 атм., что практически соответствует сосущей силе корней (14-16 (25) атм.). При этом следует различать завядание растений временное, легко устранимое и длительное (глубокое), приводящее к гибели растений (<1,2-1,5 МГ). Рыхлосвязанную (пленочную) влагу, удерживаемую молекулярными силами ориентированных молекул прочносвязанной воды, очень часто называют максимальной молекулярной влагоемкостью (по А.Ф. Лебедеву).

Ее содержание, как и других ее форм, зависит от свойств почвы, главным образом ее гранулометрического состава (таблица 1.1).

Таблица 1.1. Зависимость максимальной молекулярной влагоемкости от гранулометрического состава

Эта категория воды находится на границе между прочносвязанной и свободной водой.

Свободная вода Эта категория воды не связана силами притяжения с почвенными частицами и передвигается под действием капиллярных и гравитационных сил и, исходя из этого, выделяют форму капиллярной и форму гравитационной воды.

Капиллярная вода. Ее наличие и распределение в почве находится под влиянием капиллярных (менисковых) сил, которые проявляются в порах от 3 мкм - 100 мкм (0,003-0,1 мм) до 8 мм. В порах менее 3 мкм и крупнее 8 мм капиллярные силы не проявляются, поскольку более тонкие поры заняты связной водой, а в порах крупнее 8 мм отсутствуют менисковые силы. Образование менисковых сил обусловлено тем, что вода, находящаяся в отмеченных поровых пространствах, испытывает одностороннее притяжение лишь со стороны нижерасположенных молекул воды, которые как бы втягивают поверхность воды внутрь, образуя вогнутый мениск, над которым создается как бы разряжение (вакуум), что и способствует подъему столбика воды в капилляре.

По своему физическому состоянию эта вода жидкая, она обладает высокой подвижностью и играет основную роль в водообеспечении растений. Передвигаясь, она транспортирует с собой и питательные вещества почвы.

Различают несколько видов капиллярной воды:

а) капиллярно - подвешенную; б) капиллярно - подпертую; в) капиллярно - посаженную.

Для капиллярно-подвешенной воды характерно отсутствие гидрологической связи с постоянным или временным водоносным горизонтом. Ее происхождение обусловлено поверхностным увлажнением (атмосферные осадки или орошение). Эта форма воды способна перемещать растворимые соли, например, находящиеся на глубине, при испарении, к поверхности почвы и приводить к засолению. Этот же процесс может происходить и при поливах минерализованной водой, частично испаряющейся из почвенного профиля. Для предотвращения этого необходимо поддержание пахотных горизонтов в структурном состоянии, проведение поверхностных обработок, нарушающих сложившиеся капиллярные ходы, а также уменьшение сроков нахождения поверхности почвы без растительности. Для представления об этой форме воды приведем ее величины и распределение по профилю в почвах различного гранулометрического состава (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Распределение капиллярно - подвешенной влаги по профилю почв различного гранулометрического состава

Сохранение и поддержание этого вида воды на оптимальном для растений уровне является главной задачей орошаемого земледелия. Капиллярно - подпертая вода образуется в почвах в силу близкого залегания грунтовых вод, подпирающих воду в капиллярах и более крупных порах почвы. Высота подъема этой воды зависит от гранулометрического состава почв: от 0,4-0,6 м в песках и супесях до 2-7 м в суглинистых и глинистых, т.е. характеризует водоподъемную способность почв. Капиллярно-посаженная (подперто - подвешенная) вода образуется в почве при резкой смене слоев разного гранулометрического состава. На границе раздела этих слоев в силу различных размеров капилляров возникают дополнительные нижние мениски, которые удерживают вышерасположенную капиллярную воду (она как бы «посажена» на эти мениски). Это приводит к повышению влажности на контакте слоев. Этот принцип положен в основу антифильтрационных экранов (почвенно-грунтовые экраны А.Ф. Лебедева и Н.А. Качинского) в мероприятиях по борьбе с фильтрационными потерями воды из оросительных каналов.

Н.А. Качинский отмечает, что силы, удерживающие капиллярную воду (напряжение капиллярной незасоленной воды), колеблются от 3-4 атм. в тонких капиллярах (порах) до 0,5 атм. - в крупных. Это ниже величины осмотического давления клеточного сока корней растений, что и делает эту воду легко доступной им. Эта форма воды, являясь основным источником водного питания растений, ценна и важна в том плане, что ее можно регулировать, применяя различные агротехнические и мелиоративные мероприятия.

Гравитационная вода находится в почве преимущественно в крупных порах и передвигается исключительно под влиянием силы тяжести. Эта жидкая форма воды, обладающая высокой растворяющей способностью и возможностью переносить в растворенном состоянии соли, коллоидные растворы и т.д. Эта вода легко доступна для растений (ее осмотическое давление менее 0,5 атм.), в случае проточности грунтовой воды она может быть источником их нормального водного питания.

Ее подразделяют на просачивающуюся гравитационную, передвигающуюся сверху вниз по порам и трещинам в случае превышения ее количества над удерживающей силой менисков в капиллярах и воду водоносных горизонтов. В последнем случае это грунтовые, почвенно-грунтовые и почвенные воды. Они образуются при заполнении всей скважности грунта свободной водой. Это может быть результатом наличия водопроницаемого горизонта, задерживающего нисходящий ток гравитационной воды, а также превышения объема поступающей гравитационной воды над объемом ее оттока. Улучшение водно-воздушного режима переувлажненных свободной гравитационной водой почв является главной задачей осушительных мелиорации.

Ледявляется потенциальным источником жидкой и парообразной воды при его таянии. Превращение воды в лед при пониженных температурах играет большую роль в почвообразовательных процессах (структурообразование, наличие временных и постоянных водоупоров и т.д.). Различные категории воды в почве имеют неодинаковые точки замерзания. Так, свободная вода в незасоленной почве замерзает при отрицательных температурах, близких к 0°С, капиллярная вода - до десятков градусов, а прочносвязанная (МГ) не замерзает и при -78°С. В целом можно сказать, что лед является особой разновидностью свободной воды. Все эти характеристики рассмотренных форм воды были сведены В.А. Ковдой в таблицу и дают наглядное представление о спектре складывающегося водного режима почв (табл. 1.3).

Таблица 1.3. Характеристика форм воды в почве