Лабораторные занятия 4 (2 часа)
Водные свойство и водный режим почв. Воздушные свойства почв. Тепловые свойство почв
ВОДНЫЕ СВОЙСТВА И ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ
Исключительно велика роль воды в плодородии почвы я и жизни растений. В почвах вода служит терморегулирующим фактором. Она определяет расход тепла из почвы вследствие испарения, а также из растений путем транспирации (испарением воды через листья). Кроме того, с почвенной влагой тесно связаны физико-механические свойства почвы. С передвижением воды внутри почвы или по eej поверхности связаны процессы миграции (передвижения)! питательных веществ и эрозии. Вследствие передвижения с водой органических, минеральных и органоминеральных ’ соединений происходит формирование почвенного профиля. „
Вода благодаря своему химическому составу и своиствам способна взаимодействовать с почвенными частицами Оптимальное развитие растений и почвенных микроорганизмов невозможно без достаточной влагообеспеченности. почв. Например, для образования одной части органического вещества полевыми культурами может расходоваться от 200 до 1000 и более частей воды. Количество воды, за-s трачиваемое растениями на создание единицы сухого вещества за вегетационный период, называется трансперациионным коэффициентом.
Поступающая в почву влага подвержена влиянию сил I Различной природы, под действием которых она может 'ЛКбо задерживаться, либо передвигаться в разных направлениях. Такими силами являются сорбционные, осмотические, менисковые, гравитационные.
Катионы,, находящиеся на поверхности коллоидных час - тиц, могут отжиматься от нее молекулами воды. Отжимающее усилие рассматривается как проявление осмотического давления. ^Проникновение воды через полупроницаемую перепонку (внутрь клетки растения) называется осмосом. Давление, развивающееся в сосуде с полупроницаемой стенкой, называется осмотическим. &но измеряется величинами атмосферного давления. Осмотическое давление в почве вызывается взаимным притяжением между частицами растворенного вещества и растворителя. \Если осмотическое давление почвенного раствора равно осмотическому давлению клеточного сока растений или выше его, то прекращается поступление воды в растения, и они погибают. Величина осмотического давления зависит от концентрации почвенного раствора и степени диссоциации растворенных веществ.
Молекулам воды присуща дипольность, т. е. у них отсутствует электронейтральность, образуя так называемые гидроли. Последние могут легко ассоциироваться между собой в комплексы, причем между гидролями возникает водородная связь (благодаря способности атома кислорода притягивать к себе электроны). Вследствие наличия у молекул воды двух полюсов с противоположными знаками заряда диполи воды способны также притягиваться или отталкиваться другими заряженными частицами почвы и ионами почвенного раствора (положительная или отрицательная сорбция).
Под влиянием поверхностного натяжения воды возникают менисковые, или капиллярные, силы. Молекулы поверхностного слоя воды подвержены односторонне направленному притяжению, которое оказывает давление на всю массу жидкости. По этой причине капли жидкости приобретают шаровидную форму, а в сосудах с несмачивающими - ся стенками образуется выпуклая поверхность воды. Большинство воды. Оно уменьшается при появлении вогнутого мениска;; поэтому внутри 'капилляров происходит подъем уровня жидкости.
В крупных же порах вода подвергается преимуществен-1 ному воздействию гравитационных сил (земного тяготения). % Вследствие этого вода может просачиваться внутрь почвы! и в горные породы.
Все перечисленные силы действуют на влагу в почве взаимосвязанно, поэтому для характеристики совокупно-! сти сил различной природы введено понятие т е р м о д ннамического потенциала почвенной влаги,! который характеризуется суммой четырех частных потенциалов: осмотического, сорбционного, капиллярного, гравитационного и пневматического (или потенциала внешнего ^ газового давления).
При полном насыщении почвы влагой (в незасоленной;] почве) термодинамический потенциал близок к нулю. Beличина его возрастает по мере иссушения почвы. Сухая! почва способна всасывать в себя воду. Такая способность ] получила название сосущей силы почвы, из-] меряемой в сантиметрах водного столба с помощью тен-1 зиометров.
В связи с тем что вода в почве подвержена действию раз - ] личных сил, она характеризуется неодинаковой подвижностью и обладает разными свойствами. Поэтому почвенную воду принято делить на категории, формы и виды.
V В зависимости от прочности связи воды с твердой фазой j почвы и степени ее подвижности почвенную влагу можно] различать в трех состояниях: химически связанная, физи-| чески связанная и свободная вода.
Важнейшими водными свойствами почв являются сорб-| ция воды, влагОемкость, водопроницаемость и водоподъем-! ная способность.
Сорбция воды (способность поглощать влагу) тем] сильнее, чем больше степень дисперсности (раздробленности ] частиц) почвы. Сорбированная влага (гигроскопическая и| максимально гигроскопическая) — это недоступный расте-! ниям запас влаги в почве.
Влажность почвы выражают в процентах к сухой на-] веске почвы, в м3/га. Необходимо уметь переводить влаж-] ность, выраженную в процентах, в мм, так как атмосфер-J ные осадки и испарение воды почвой также выражаются | в мм. Для такого пересчета надо знать плотность почвы для 1 каждого ее горизонта. Если W — влажность определенного;
же тел хорошо смачивается водой. Вследствие этого у стенок сосуда (почвенных пустот) образуется искривленная поверхность жидкости (мениск). Чем тоньше капилляр, тем больше кривизна мениска. Искривление поверхности жидкости связано с изменением поверхностного давления
горизонта почвы, в %, h — мощность горизонта, в см, и di — плотность почвы, то
Г (мм) = 10.
В ирригационной практике возникает необходимость выражать запас воды в почве, поливную или оросительную норму в м3/га. В этом случае следует помнить, что слой воды в 1 мм на гектаре составляет 10 м3 воды:
W (м3) = W (мм) 10.
Для вычисления запаса влаги в мм или м3/га в метровой ял и двухметровой толще почвы производят вычисления по отдельным горизонтам, в которых различны величины du и затем суммируют для общего слоя.
Наивысшему увлажнению почвы в полевых условиях соответствует общая влагоемкость, а нижним пределом доступной для растений влаги является влажность завядания; Разница между названными пределами увлажнения соответствует диапазону продуктивной влаги.
В начальной фазе развития растения потребляют влагу йз пахотного горизонта, в дальнейшем растения используют запасы продуктивной влаги из нижележащих горизонтов почвы.
Оценка запасов продуктивной влаги производится по следующей шкале (по А, Ф. Вадюниной, 3. А. Корчагиной): В слое 0—20 см
запасы | хорошие | >40 мм |
» | удовлетворительные | 20—40 мм |
» В слое 0- | неудовлетворительные -100 см | <20 мм |
запасы | очень хорошие | 160 мм |
» | хорошие | 160—130 мм |
» | удовлетворительные | 130—90 мм |
» | плохие | 90—60 мм |
f | очень плохие | <60 мм |
Влагоемкость — способность почвы удерживать влагу, поступающую извне. Различают капиллярную, полевую и полную влагоемкость.
Капиллярная влагоемкое т ь,— эта запас влаги, удерживаемой над уровнем грунтовых вод капиллярными (менисковыми) силами.
Полевая влагоемкость — это количество влаги, которое почва в естественном залегании в полевых условиях способна длительно удерживать.
Полной влаг о. е м к о с т ь ю называется такое 1 состояние почвы, когда все поры ее полностью насыщены во* 1 дой при отсутствии оттока.
Под водопроницаемостью почв понимают способность их! впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. Процесс этот складывается из поглощения! воды почвой, прохождения ее от слоя к слокув ненасыщенной I водой почве и фильтрации воды сквозь толщу насыщенной! почвы. Впитывание воды почвой, еще не насыщенной до I состояния влагоемкости, в. первой и второй фазах пройсхо-1 дит под' влиянием сорбционных и менисковых сйл, а также! градиента напора. Впитывание выражают коэффициентом! впитывания, фильтрацию почв — коэффициентом фильт-1 раций.
V-'.. Водопрбницаемость зависит от влажности почвы, хими-я ческого состава и особенно от обменного натрия. Существен*! ное значение имеет наличие в почве трещин, ходов земле-! роев, корневин, усиливающих водопроницаемость, v - Водопроницаемость — одно из важнейших водно-физн-1 ческих свойств почвы. С ним связано использование атмо-Я сферных осадков и поливной воды. При хорошей водопро-1 ницаемости влага полностью проникает в почву, накапли-1 ваясь в ней, и наоборот, при плохой водопроницаемости 1 вода стекает по поверхности, вызывая эрозию. Однако хо-Я рошая водопроницаемость может быть вредным явле-Я нием при гидротехнических работах, например при со-Я оружении каналов, плотин, тогда ее снижают до мини-1 мума. ,
. Водопроницаемость из_меняется по профилю почвы, по-1 этому ее/следует изучать по генетическим горизонтам. Осо-1 бо важно знать водопроницаемость тех горизонтов, которые | выходят на поверхность дна и стенок ирригационной сети! (каналов; дрен). Для агрономических и мелиоративных* целей пользуются шкалой оценки водопроницаемости Я (табл. 12).
Водоподъемная способность — способность почвы вызы-Я вать капиллярный подъем влаги. Минерализованные грун-Я товые воды могут вызвать при капиллярном подъеме явле-Я ние засоления почв. Водоподъемная способность зависит! от механического состава, агрегатнобти и сложении почвен-Я ной массы. Максимальная высота подъема почвенной в л а-Я ги по капиллярам дДя песчаных почв 0,5—0,7 м, для сугли-Я нистых — 3—*6 м. Вследствие высокога подъема минерали-1 зова иные грунтовые воды могут ухудшать почвенное пло-Я
Водопроницаемость в первый час наблюдений
Оценка
Провальная Излишне высокая Наилучшая Хорошая-
Удовлетворительная Неудовлетворительн ая
* Напор воды Н=5 см при температуре 10°С.
дородие. Однако в общем виде грунтовые воды играют большую роль в водном балансе и почвообразовании.
; Водным режимом называется совокупность всех явлений [ поступления влаги в почву, ее передвижения; удержания в |профиле и ее_.расходования. Основной источник поступле - ниявбды в почву — атмосферные осадки. Расходуется вла - f га из почвы через испаряемость как <;амой почвой, так и рас - утениями (за счет транспирации). В зависимости от величины ; прихода-расхоДа воды выделяет три типа водного режима почв: 1) промывной (пермацидный) тип водного режима, когда испарение меньше инфильтрации воды в почву; 2) непромывной (импермщщдный) тип водного ре - 1 жима, когда испарение равно инфильтрации воды в почву;
4) . выпотной (экссудативный) тип водного режима, когда испарение больше инфильтрации воды в почву.
/развивая учение , выделил ива новых типа — мерзлотный и ирригационный. Он разделил все типы водного режима почв на 16 подтипов на основании различия в источниках, видах и степенях увлаж - \ нения почв. В настоящее время пользуются следующей классификацией типов водного режима почв: 1) мерзлотный; 2) промывной; ^периодически промывной; 4) непромывной;
5) выпотной; 6) ирригационный. ./
Первые пять типов водного режима почв имеют тесную
'связь с климатическими и почвенными зонами* а последний находит'Отражение в сельскохозяйственной практике.
Водный режим почв может регулироваться агротехническими и мелиоративными приемами культурного земледелия, способствующими повышению почвенного плодоро-
Свыше 1000 1000—15000 500—100 100—70 70—30 <30
ВОЗДУШНЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ
Почвенный воздух отличается от атмосферного количественным и качественным составом.
Количество СОа в почвенном воздухе при нормальной аэрации в десятки раз больше, чем в атмосферном. Кислород в почве интенсивно поглощается корнями растений к микробами в процессе их дыхания. При отсутствии нормаль-( ного газообмена в почвенном воздухе количество кислорода может падать до десятых долей процента, а углекислоты —| увеличиваться до десяти и более объемных процентов.
Изменение содержания Na в составе почвенного воздуха обычно связано с изменением содержания Оа. При .умень-; шении кислорода почвенный воздух относительно обогаг щается азотом.
Из всех газов наиболее легким является водород, он а 14,5 раза легче воздуха. Молекулы его движутся быстрее всех остальных газов. Он имеет наибольший коэффициент диффузии, вследствие этого концентрация его в поверхности ных слоях почвы примерно такая же, как и в атмосфере.-
В почвенном воздухе содержится также аммиак, cepo-j водород, метан и ряд газообразных летучих соединений, j количественный и качественный состав которых еще не; установлен.
По физическому состоянию почвенный воздух делят на; свободный, сорбированный и растворенный.
Свободный воздух находится в почвенных крупных; капиллярах и некапиллярных порах. Наибольшее значение; для жизни растений и почвенных процессов имеет воздух,' находящийся в крупных некапиллярных порах. Эти поры; обусловливают постоянную аэрацию почвы.
Воздух некапиллярных пор аэрации отличается наиболь-J шей подвижностью и доступностью. Подвижность воздуха] в капиллярных порах падает по мере уменьшения диа-| метра.
Сорбированный воздух. Сухие почвы обладают способ] ностью в значительном количестве сорбировать (поглощать)] газы, находящиеся в почве. Поглощение газов почвой под-! разделяется на ряд процессов: а) адсорбция — сгу-1 щение газа на поверхности почвенных частиц (адсорбента)]
б) абсорбция— физико-химическое поглощение га-j зов твердой и жидкой фазой по4вы с образованием в noc-j леднем случае растворов; в) хемосорбция — сорб-j ция за счет химического взаимодействия между почвой а
газом. Например, при действии Н20 и С02 на СаС03 получается Са(НСО*)2.
Сорбция газов пропорциональна их давлению и обратно пропорциональна температуре, кроме того, она зависит и от качества сорбента. Сорбция тем больше, чем выше дисперсность сорбента. Из всех составных частей почвы наибольшей поглотительной способностью газов обладают гумус, перегной и полуторные окислы, меньше эти свойства проявляются в кварце, извести и гипсе. Сорбция газов почвой наблюдается при влажности меньше максимальной гигроскопической и наибольшего значения достигает в сухих почвах.
Растворенный почвенный воздух имеет компоненты, которые характеризуются различной растворимостью в воде. Наибольшей растворимостью обладают аммиак, сероводород, углекислота. Растворимость газов в воде возрастает с увеличением их парциального давления и с понижением температуры. Кроме того, в почвенной воде растворимость газов уменьшается с увеличением минерализации воды. Газы в почвенном растворе существенно меняют свойства раствора. Так, увеличение СО* в почвенном воздухе и в связи с этим увеличение углекислоты в почвенном растворе способствует повышению растворимости карбонатов, фосфатов, гипса и других солей.
Состав и состояние почвенного воздуха в значительной мере определяются физическим строением почвы. Среди физических свойств почв следует выделить ряд характеристик, которые определяют количественный и качественный состав почвенного воздуха. Это — воздухоемкость, воздухопроницаемость и аэрация почвы.
Воздухоемкость — способность почвы удерживать при определенном физическом состоянии то или иное количество воздуха. Содержание воздуха при этом выражают в процентах объема почвы. Воздухоемкость — величина динамичная. При полном насыщении всех пор в почве водой присутствует только растворенный воздух. По мере подсыхания почвы количество воздуха в почве возрастает.
Скорость проникновения воздуха или газа в почвенную толщу называют воздухопроницаемостью. В природных условиях проникновение воздуха или газа в почву происходит под влиянием атмосферного давления или воды (в период дождей, снеготаяния).
Аэрация почвы —: газообмен почвенного воздуха с атмосферным, главным фактором которого являются диффузия, 5 изменение температуры почвы в течение суток, изменение барометрического давления, вытеснение воздуха из почвы при выпадении осадков или при орошении, а также ветер, выдувающий из поверхностного слоя почвы воздух, заменяя его новым. Этим обусловливается «дыхание» почвы.
С аэрацией почвы тесно связаны ее окислительные и восстановительные процессы. Они измеряются окислительно-восстановительным потенциалом Eh или ОВП.
Величина Eh характеризует упругость электронов в системе почва — раствор, способных принимать участие в процессах окисления и восстановления, которые зависят от аэрации почвы и особенно от содержания в почвенном воздухе и соответственно в растворе кислорода.
При Eh—600—700 мв в почве имеются максимальные аэробные условия; при Eh=A00—600 мв — почвы нормально аэрируемые; при £Л=300—400 мв — аэрация затруднена. Может иметь место денитрификация. Нижняя граница зоны окисления соответствует Eh от 250 до 300 мв. Выше этой границы идут процессы окисления, ниже — восстановления. При Е h ■< 200 мв в почве идут процессы восстановле - ния-оглеения, переход окисных форм в закисные.
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ
Основной причиной происходящих в почве биологических, химических, физических и биохимических процессов является наличие энергии. Главным источником тепла в почве служит солнечная радиация. В небольшом количестве в почву поступает тепло, выделяемое радиоактивными элементами, а также в ходе биологических процессов, химических реакций и при смачивании сухой почвы (теплота смачивания). Количество лучистой солнечной энергии, аккумулированной почвой, зависит от географического положения территории, а также от свойств верхних горизонтов почвы — окраски, механического состава, структуры, содержания влаги. /
Важнейшим показателем теплофизической характеристики почвы является ее температура. С нею связана скорость поступления в растения воды и питательных веществ, а также растворимость в воде солей, кислорода и углекислого газа. ПерBOererfeHHoe значение имеет температура почвы в жизнедеятельности почвенной микрофлоры.
К теплофизическим характеристикам почв относятся теплое м к о с ть, • тепл о про в о. д'н о с т ь, т е м - пературопр о водность, коэффициент т е п л о у с в о я е м о с т и, теплота смачивания, ...
По величине теплоты смачивания косвенно можно судить о гидрофильности почвы. При смачивании сухой почвы водой выделяется тепло, образуемое главным образом за счет уменьшения кинетической энергии молекул воды, адсорбируемых на поверхности почвенных частиц, и гидратации поглощенных катионов. Величина теплоты смачивания зависит от суммарной поверхности частиц; минералогического и химического состава почвы. Теплоту смачивания учитывают в ирригационной практике: полив почвы и культур проводят рано утром или вечером и ночью, когда теплота смачивания не вызывает перегрева растений и их завядания.
Тепловым режимом почв называется совокупность всех явлений поступления, передвижения и отдачи тепла почвой. Обычно его называют также температурным режимом, так как определяется он температурой почвы на разных глубинах и в различные сроки.
Тепловой режим почвы зависит от количества поступающей солнечной энергии и способности почвы поглощать ее. Эта способность связана с теплоемкостью почвы, ее теплопроводностью и силой излучения энергии в атмосферу. Биологические процессы в почве, а также рост и развитие растений протекают при определенном тепловом режиме. Однако биологический фактор, в свою очередь, влияет на тепловой режим почвы.
Количество отраженной от поверхности Земли солнечной энергии в агрометеорологии называют альбедо (А). Отражательная способность почв зависит от увлажнения, обработки, окраски, состояния растительного покрова и др. Например, альбедо влажного чернозема составляет 8%, сухого—14, зеленой травянистой растительности — 14— 18, белого песка — 40, снежного покрова —70—80%.,
В практике сельского хозяйства почвы давно подразделяются на холодные и теплые. Темные почвы нагреваются сильнее, чем светлые. Особенно выделяются в этом отношении почвы легкие с небольшим количеством гумусовых веществ. При увлажнении, например, сырые почвы охлаждаются быстрее, чем сухие. Это объясняется тем, что вода имеет высокий показатель теплоизлучения.
горизонтами бывают также ровными, волнистыми (ширина впадин больше их глубины) и языковатыми (глубина впадин или выступов больше их ширины).
Контрольные вопросы
6) Что понимается под почвообразованием?
7) Какие факторы способствуют образованию и развитию каждой почвы?
8) Что понимается под генезисом почвы?
9) Почему биологическому фактору отводится ведущая роль в почвообразовании?
10) Что называется фитоценозом?
11) В чем заключается роль климата как фактора почвообразования?
12) Какая роль отводится в образовании и развитии почв фактору времени?
13) Почему антропогенный фактор почвообразования называется активным и современным?
14) Что понимается под почвенным профилем?
15) Какие морфологические признакиаследует различать в генетическом профиле почвы?
