Категории, формы и виды почвенной влаги

Влага в почве может находиться в твердом, газообразном и жид­ком состоянии.

Согласно классификации А.А. Роде, в почве можно выделить следующие категории почвенной влаги.

Кристаллизационная влага прочно связана в кристаллических ре­шетках минералов (алюмосиликатов, гидроксидов, простых солей) и входит в твердую фазу почвы. Так, при кристаллизации сернокислого кальция и образовании гипса на каждую молекулу CaS0₄ связывается две молекулы воды (CaS0₄ • 2Н₂0), при кристаллизации сернокислого натрия и образовании мирабилита — 10 молекул (Na₂S0₄ • ЮН₂0).

Твердая влага — лед — периодически появляется в верхних гори­зонтах сезоннопромерзающих почв и постоянно присутствует в ниж­них горизонтах почв с вечной мерзлотой.

Парообразная влага присутствует в почвенном воздухе в форме водяного пара. Попадая в почву из атмосферы или за счет испаре­ния воды внутри почвы, она движется в порах и пустотах от мест с большей упругостью пара к местам с меньшей его упругостью. В почвах с сезонной и вечной мерзлотой парообразная влага переме­щается к холодному фронту, где конденсируется, что сохраняет низ­кую упругость водяного пара на границе мерзлого и талого слоев. Некоторое значение для пассивного передвижения водяного пара имеет тепловое расширение почвенного воздуха, обычно наблюдае­мое в верхних горизонтах при нагревании их в течение дня. Давле­ние атмосферного воздуха и аэродинамические силы, возникающие при действии на поверхность почв ветра, усиливают обмен парооб­разной влаги между почвой и атмосферой.

Жидкая влага присутствует в почве в виде связанной и свободной влаги. Каждая из них представлена несколькими формами влаги.

1. Связанная влага удерживается на поверхности твердых частиц силами молекулярного притяжения. Она делится на прочносвязанную и рыхлосвязанную влагу.

Прочносвязанная (гигроскопическая) влага. Движение частиц во­дяного пара и их количество в почве регулируется сорбционными силами — притяжением молекул парообразной воды к твердым по­чвенным частицам и превращением ее в прочносвязанную гигрос­копическую влагу.

Силы притяжения твердыми частицами парообразной влаги дей­ствуют на малое расстояние, равное нескольким диаметрам молеку­лы воды. Адсорбция первых слоев воды почвенными частицами со­вершается:

а) за счет водородных связей с атомами кислорода, входящими в состав поверхностного слоя частиц;

б) за счет гидратации катионов, которые расположены на повер­хности частиц в точках изоморфного замещения атомов кремния и алюминия на атомы магния.

По существующим представлениям, начальная стадия процесса сорбции парообразной влаги в почве заключается в притяжении молекул водяного пара поверхностными молекулами и ионами са­мого вещества: возникает первый слой сорбированных молекул. Толщина этого слоя измеряется двумя-тремя диаметрами молекул. Следующие слои молекул воды притягиваются уже молекулами са­мой адсорбированной воды, что облегчается их дипольным харак­тером. Все молекулы сорбированной воды находятся, таким обра­зом, в строго ориентированном положении (рис. 10.1). Наблюде­ния, произведенные над адсорбцией водяного пара кварцевым песком, показали, что образование мономолекулярного слоя проис-

Число

молекулярных

слоев,

см²Д г/100 г

Размер частиц, мм

Рис. 10.1. Зависимость толщины оболочки воды (число молекулярных слоев), сорбированной из водяного пара (по А.А. Роде): 1 — от размера частицы; 2 — количества сорбированной воды; 3 — удельной поверхности от размера частицы

ходит при очень небольшом давлении водяного пара — около 1 % относительной влажности. При дальнейшем увеличении давления пара начинается процесс многослойной сорбции. При 80—85 % от­носительной влажности толщина пленки гигроскопической воды равна 30—50 диаметрам ее молекул.

Прочносвязанная влага обладает свойствами, отличающими ее от свободной воды: она имеет повышенную плотность (1,1 — 1,7), меньшую теплоемкость (около 0,5), не способна растворять электро­литы и проводить электрический ток, не замерзает вплоть до —78 °С и обладает механическими свойствами, сближающими ее с тверды­ми телами (модулем сдвига и пределом текучести). При адсорбции первых слоев воды выделяется теплота смачивания.

Гигроскопическая влага удерживается на поверхности почвен­ных частиц силами молекулярного притяжения настолько прочно, что удалить ее можно только путем перевода в парообразное состо­яние при нагревании почвы свыше 100 °С в течение 4—5 ч. Макси­мальное количество прочносвязанной (гигроскопической) влаги в данной почве является водно-физической константой и называется максимальной гигроскопичностью (МГ).

Рыхлосвязанная (или пленочная) влага — это вода, удерживаемая силами молекулярного притяжения сверх величины максимальной гигроскопичности. Ее основной признак — ориентированное рас­положение молекул воды. Наибольшее количество рыхлосвязанной (пленочной) воды может в 2—4 раза превышать величину макси­мальной гигроскопичности. Это дополнительное количество влаги, удерживаемой силами молекулярного притяжения, почва не может поглотить даже из насыщенной водяными парами атмосферы; рых­лосвязанная влага сорбируется только при соприкосновении почвен­ных частиц с жидкой влагой.

В отличие от прочносвязанной рыхлосвязанная влага способна к передвижению от одной почвенной частицы к другой: от частиц с более толстыми пленками к частицам с менее толстыми. Однако это движение возможно лишь пока существует некоторый градиент влажности и совершается оно с очень малой скоростью.

Рыхлосвязанная влага может быть удалена из почвы центрифу­гированием (при высоком ускорении, развиваемом центрифугой) или отпрессованием (при давлении до 6850—2000 кг/см²).

Рыхлосвязанная (или пленочная) влага отличается от обычной жидкой влаги, находящейся в почве, лишь несколько пониженной концентрацией растворенных веществ и температурой замерзания (при понижении температуры до —15 °С количество незамерзшей воды близко к величине максимальной гигроскопичности).

Наибольшее количество воды, которое может быть удержано в почве силами молекулярного притяжения, называется максимальной молекулярной влагоемкостью (ММВ ) и выражается в процентах от массы или объема почвы.

2. Свободная влага встречается в почвах в формах: подвешенной,
подпертой гравитационной и свободной гравитационной.

Капиллярно-подвешенная влага. Характерным свойством ее являяется отсутствие гидростатической связи с постоянными или временными водоносными горизонтами. Она образуется при увлажнении почвы сверху (после дождя или полива). Наибольшее количество подвешенной влаги, остающееся в верхних горизонтах почв
после их смачивания сверху, называется наименьшей влагоемкостью или полевой влагоемкостью почвы (НВ ).

Различают следующие виды подвешенной влаги:

а) стыковая капиллярно-подвешенная. Встречается в почвах различного гранулометрического состава в виде разобщенных скоплений вокруг точек соприкосновения твердых частиц при влажности
< НВ. Гидростатическая сплошность отсутствует, влага удерживается капиллярными силами (рис. 10.2);

б) внутриагрегатная капиллярно-подвешенная. Распространена в
почвах, обладающих макроструктурой, заполняет поры капиллярного размера, пронизывающие агрегаты при влажности > НВ;

в) насыщающая капиллярно-подвешенная. Встречается в среднезернистых почвах, в поверхностном слое, целиком заполняя поровое пространство почвенной массы. Этот вид влаги возникает при исходной сухости почвы или грунта. Удерживается капиллярными силами. Большую роль в удержании влаги играет плохая смачиваемость первоначально сухой почвы. Характерна предельная мощность насыщенного слоя, при превышении которой равновесие нарушается и вся влага, за исключением стоковой, стекает вниз;

г) сорбционно-замкнутая. Встречается в почвах среднего и тяжелого гранулометрического состава в виде микроскоплений в крупных порах, изолированных друг от друга перемычками из связанной влаги. Удерживается сорбционными
силами.

Капиллярно-подпертая влага

встречается в двух формах:

а) подперто-подвешенная капиллярная влага. Образуется при

Рис. 10.2. Водяная манжета (стыковая вода) между двумя шарообразными частицами (по А.А. Роде)

влажности, равной НВ и выше, в слоистых толщах в более тяже­лых (более мелкопористых) слоях при подстилании их более легки­ми (более крупнопористыми);

б) подпертая капиллярная. Встречается в почвах различного гра­нулометрического состава в виде влаги капиллярной каймы над вре­менным или постоянным зеркалом почвенно-фунтовых вод; обра­зуется при влажности > НВ.

Максимально возможное в данной почве количество капилляр­но-подпертой влаги называется капиллярной влагоемкостью (KB).

Свободная гравитационная влага — для нее характерно передви­жение под влиянием силы тяжести. Подразделяется на два вида:

а) просачивающаяся влага. Находится в состоянии нисходящего дви­жения по крупным порам и полостям некапиллярного размера под влиянием силы тяжести, что наблюдается при влажности почвы > НВ;

б) влага водоносных горизонтов — фунтовые, почвенно-фунтовые и почвенные воды, удерживаемые вследствие наличия водонеп­роницаемого подстилающего слоя. Эти воды могут быть застойны­ми или при наличии разности гидравлических напоров стекающи­ми в направлении уклона водоупорного слоя.

Водно-физические свойства почвы

В ряду главных водно-физических свойств следует назвать водоудерживающую и водопропускную способность почвы.

Водоудерживающая способность почвы. Способность твердой фазы почвы при участии сорбционных и капиллярных сил удерживать почвенную влагу от стекания (под влиянием силы тяжести) называ­ется водоудерживающей способностью. Наибольшее количество воды, удерживаемое почвой теми или иными силами, называется влагоем­костью. Различают несколько видов влагоемкости.

Способность твердых частиц поглощать из воздуха парообраз­ную влагу называется гигроскопичностью почвы. Даже совершенно сухая на вид почва («воздушно-сухая почва»), долгое время храня­щаяся в помещении, обычно содержит некоторое количество гиг­роскопической влаги. Последнюю выражают в процентах к весу аб­солютно сухой почвы (высушенной при t— 105 °С). Количество гиг­роскопической воды, которое может быть поглощено данной почвой, зависит от относительной упругости водяного пара в воздухе, со­прикасающегося с почвой, и от ее механического состава.

Максимальная гифоскопичность (МГ), т. е. количество влаги, которое она может поглотить из воздуха, выражается в процентах от веса почвы. Величина максимальной гифоскопичности колеблется от 2—3 % в почвах легкого гранулометрического состава до 12—15 % в тяжелых почвах с большим содержанием гумуса.

Максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ) в глинистых почвах достигает 43—44 %, в большинстве суглинистых почв она составляет 7—15 %.

Наименьшая влагоемкость (НВ) зависит от гранулометрическо­го состава почв, их агрегатности и пористости. В большинстве почв НВ составляет 20—30% почвенной массы. Установлена эмпиричес­кая зависимость между объемной массой почвы (ОВ) и наименьшей влагоемкостью (НВ). При условии однородности гранулометричес­кого состава произведение объемной массы на величину НВ, вы­численное для различных горизонтов почвы, является величиной постоянной для всего почвенного профиля [ОВ] — [НВ] = A(const). НВ обратно пропорционально величине объемной массы и, следо­вательно, прямо пропорционально величине пористости.

В суглинистых и глинистых почвах количество подвешенной влаги и особенно мощность смоченного слоя могут достигать значитель­ных величин. Так, по наблюдениям в лёссовых грунтах со сквозным промачиванием величина наименьшей влагоемкости (23—25 %) со­храняется на глубине до 15 м (данные А.А. Измаильского).

При увлажнении почвы сверху (при поливе или после дождя) рас­пределение капиллярно-подвешенной влаги в суглинистых фунтах имеет вид, изображенный на рис. 10.3. Распределение подвешенной влаги в почве через различные сроки после полива указывает на воз­можность лишь очень медленного ее стекания вниз, но общий харак­тер кривых говорит о том, что поступившая в почву влага удержива­ется в ней достаточно прочно.

Почвенно-грунтовая толща, расположенная непосредственно над зеркалом грунтовых вод, содержит капиллярно-подпертую влагу. При испарении этой влаги у верхнего края капиллярной каймы от зеркала грунтовых вод идет поступление новых порций воды. Ве­личина капиллярной влагоемкости (KB) на разном расстоянии от уровня грунтовых вод непостоянна. Она изменяется от 17—20 до 50—60% от массы почвы.

В природе влажность почв изменяется весьма значительно в пределах капиллярно-смоченного слоя, поэтому то, что называют капиллярной влагоемкостью, определяется в лаборатории при на­сыщении почвы в небольших цилиндрах (высотой 15—20 см) и представляет максимальное количество капиллярной влаги, удер­живаемое почвой непосредственно над уровнем слоя гравитацион­ной воды.

Рис. 10.3. Распределение влаги в почве при увлажнении

сверху через (по И.Б. Ревуту):

1 — 3 сут; 2—12 сут;

3 — 21 сут после увлажнения

Рис. 10.4. Равновесное распределение влажности в почвенно-грунтовой

толще, промоченной насквозь (по А.А. Роде)

Когда все поры в почве (капиллярные и некапиллярные) полностью заполнены влагой, наступает наибольшая степень влагонасыщенности почв. Количество влаги, находящееся в почве в данных условиях, называется полной влагоемкостъю (ПВ) или водовместимостью. В состоянии увлажнения, равном полной влагоемкости, почвы находятся при отсутствии или затруднении стока гравитационной влаги.

Водоподъемная способность почвы. Свойство почвы вызывать
подъем влаги по капиллярам называется водоподъемной способностью. В природе над зеркалом грунтовых вод создается кайма капиллярно-подпертой влаги. Содержание влаги в кайме уменьшается снизу вверх от почти полной влагоемкости до наименьшей (рис. 10.4).

Мощность капиллярной каймы или водоподъемная способность почв зависит от их гранулометрического состава (табл. 10.1, рис. 10.5).

Высота капиллярного подъема возрастает от песков через супеси
к лёссовидным суглинкам, а при переходе к грунтам более тяжелого

Таблица 10.1

Высота капиллярного подъема в колонках из грунта с различной крупностью зерен (по В. Новаку и И. Печанеку)

Рис. 10.5. Капиллярный подъем влаги в насыпных колоннах из частиц разного размера (по А.А. Роде)

гранулометрического состава снова начинает уменьшаться вслед­ствие того, что сила трения в тонких капиллярах становится очень большой, а тонкие поры сплошь заполняются связанной пленочной влагой. Максимальная высота капиллярного поднятия, отмеченная Н.А. Качинским для лёссовидных суглинков в лабораторных усло­виях, равнялась 350 см (за 5 лет). В природных условиях им отмечен капиллярный подъем на высоту до 600 см. Высота капиллярной кай­мы находится в обратной зависимости от степени минерализации воды.

Капиллярно-подвешенная влага также может передвигаться кверху в направлении испаряющей поверхности в пределах всей промоченной толщи. По мере испарения жидкости близ поверх­ности образуется слой с максимальным содержанием растворимых веществ.

С передвижением и испарением капиллярно-подвешенной вла­ги восходящее движение почвенной влаги кверху при определенном пределе влажности прекращается, а именно когда капилляры раз­рываются и исчезает сплошность свободной влаги. Значение влаж­ности, при котором движение кверху подвешенной влаги прекра­щается, называется влажностью разрыва капилляров (ВРК). Величи­на влажности разрыва капилляров при прочих равных условиях изменяется в зависимости от структурного состояния почвы.

Бесструктурные почвы теряют воду за счет ее передвижения к слоям иссушения значительно больше, чем почвы структурные. Подвижная вода в почвах тяжелого гранулометрического состава в случае их полной бесструктурности может быть представлена не столько капиллярной, сколько рыхлосвязанной (пленочной) водой.

Водопроницаемость почв. Способность почвы пропускать через себя гравитационную влагу называется водопроницаемостью, а про­цесс поступления — впитыванием воды. Способность к передвиже­нию влаги вниз появляется в почвах, влажность которых превышает величину наименьшей влагоемкости. Водопроницаемость почвы зависит от гранулометрического состава и структурного состояния и, в особенности, от величины некапиллярной скважности.

Водопроницаемость измеряется расходом влаги (мм) за опреде­ленное время (ч) при постоянном гидростатическом давлении сверху (5 мм водного столба). Если влага поступает в относительно сухую почву, то в начальные моменты увлажнения расход воды очень ве­лик за счет впитывания влаги в верхний рыхлый и влагоемкий гуму­совый горизонт почвы, затем расход воды постепенно уменьшается и устанавливается постоянная скорость просачивания, или фильт­рации, воды через насыщенную ею почву.

Скорость впитывания характеризуется величиной коэффициен­та впитывания (или коэффициента поглощения — К), который из­меняется в процессе впитывания (рис. 10.6) и находится в некото­рый момент времени t (согласно А.И. Костякову) в следующей за­висимости от начальной его величины К:

где постоянная величина а < 1

Коэффициент фильтрации Х_ф сильно меняется по профилю по­чвы в зависимости от различий гранулометрического состава, агрегированности и пористости почв.

На рис. 10.6 приводятся величины коэффициентов фильтрации лесной дерново-среднеподзолистой почвы, развитой на легком по­кровном суглинке при подстилании его тяжелыми суглинками. Ве­личина К_ф с глубиной резко понижается, особенно резкие скачки (в 2—3 раза) происходят на Глубине 50, 100 и 150 см. Глубже (до 4 м) наблюдается хотя и более Медленное, но заметное снижение водо­проницаемости. В целом на протяжении 4 м К_ф уменьшается почти в 90 раз (от 71,0 см/сут в слое О—50 см до 0,8 см/сут в слое 350—400 см). В степных почвах (черноземах) значительное уменьшение водопро­ницаемости наблюдается на глубине около 1,5 м при переходе к почвообразующей породе — лёссовидному суглинку. Столь же сильно изменяется водопроницаемость в пространстве в силу неравномер­ного распределения в них водопроводящих каналов — различных полостей, ходов корней и нор животных, наличия трещин. Влага проходит в почву языками, вследствие чего влажность почвы на одной и той же глубине, но _в разных точках сильно различается.

Далее приводятся различные градации коэффициента фильтра­ции для характеристики водопроницаемости почв. А.И. Костяков предложил следующую трехчленную шкалу (мм/ч):

Слабая водопроницаемость....................................... 50

Средняя водопроницаемость ................................... 100

Высокая водопроницаемость ............................................. 150

По Н.А. Качинскому, при напоре столба воды 5 см и температуре
10 °С можно выделить шесть градаций водопроницаемости (мм/ч):

Провальная........................................................................... 1000

Излишне высокая....................................................... 1000—500

Наилучшая...................... ........................................... 500—100

Хорошая...................................................................... 100—70

Удовлетворительная.................................................. 70—30

Неудовлетворительная.............................................. <30

Рис. 10.6. Изменение во времени водопроницаемости тяжелосуглинистой почвы (по Н.Ф. Созыкину): 1 — под лесом; 2 — на пашне