1. Значение влаги в почвообразовании, жизни растений и микроорганизмов

Почвенная влага, наряду с твердой и газовой, является третьей фазой почвы. Без воды невозможны процессы выветривания и почвообразования.

От содержания влаги в почве зависит скорость выветривания горных пород, интенсивность физических, химических, физикохимических и биологических процессов.

Влажность почвы влияет на образование ее структуры, физикомеханические свойства, предопределяет качество обработки и затраты энергии на нее.

Влага, передвигаясь в почве, переносит с собой многие растворимые и взвешенные вещества. Она необходима для жизнедеятельности микроорганизмов, являющихся важным фактором почвообразования.

Роль воды в почвообразовательном процессе настолько существенна, что Г.Н. Высоцкий сравнивал ее с кровью организма. В результате перемещения водой органических, органоминеральных и минеральных соединений формируется почвенный профиль.

Без воды невозможны биологические процессы в почве, а также жизнь высших растений вообще. Для нормального протекания процессов жизнедеятельности растениям требуется вполне определенное количество воды. Для создания 1 г сухого вещества растения расходуют от 200 до 1000 г воды.

В составе растений содержится 80–90 % воды. В процессе своей жизнедеятельности они расходуют огромное количество воды. Вот почему в засушливых районах неустойчивые и низкие урожаи сельскохозяйственных культур в большинстве случаев связаны с недостаточным их водоснабжением.

Все жизненные процессы в растениях протекают нормально только при достаточном насыщении их клеток водой. Сухие семена не прорастают, при недостатке воды растения плохо растут и дают низкий урожай. Вода наряду с углекислым газом является для растений тем первичным строительным материалом, из которого в процессе фотосинтеза синтезируется органическое вещество. В воде растворяются питательные вещества, которые с почвенным раствором поступают в растения. Поскольку при испарении воды затрачивается огромное количество тепла, вода является терморегулятором почвы и растений, предохраняя последние от перегрева солнечной радиацией.

Важно отметить, что растения нормально развиваются только при постоянном и достаточном количестве влаги в почве, Недостаток, как и избыток, влаги в почве ограничивает продуктивность растений. В этом случае неэффективными становятся различные агроприемы, направленные на повышение урожаев, сельскохозяйственных культур (внесение удобрений, известкование и др.). Водообеспеченность растений определяется не только количеством поступающей воды в почву, но и ее водными свойствами, способностью почвы впитывать, фильтровать, удерживать, сохранять воду и отдавать ее растению по мере потребления. Поэтому в одинаковых климатических условиях, на полях, одинаково обработанных и имеющих ровную поверхность, содержание влаги в почве может быть различно. При равной влажности почвы могут содержать разное количество доступной воды, что зависит от гранулометрического состава почв, структурного состояния, содержания гумуса и других показателей, предопределяющих их водные свойства.

Для жизнедеятельности микроорганизмов в почве также необходима вода. Новгрудский, изучая скорость нитрификации в каштановой почве в зависимости от содержания в ней воды, доказал полное прекращение процесса при воздушно-сухом состоянии и регистрировал ход процесса в случаях, когда влажность почвы достигала величины полуторной максимальной гигроскопической влажности. Наибольшей интенсивности процесс нитрификации достигал при влажности, приближающейся к полевой влагоемкости.

Для ряда микроорганизмов и почвенных грибов установлена точная зависимость активности процессов их жизнедеятельности также и от влажности воздуха. При предельно низкой влажности почвы относительная влажность воздуха в ней резко снижается и тогда резко снижается интенсивность микробиологических процессов.

Из всего сказанного можно заключить, что почвенная влага является решающим фактором для получения высоких урожаев культурных растений и для многочисленных биологических процессов, совершающихся внутри почвы и на ее поверхности, т.е. в приземном слое воздуха. В частности, необходимо учитывать, что влажность почвы является фактором регулирования влажности почвенного воздуха и нижних слоев атмосферы и служит весьма чувствительным агентом, воздействующим на многие чисто почвенные явления.

2. Категории, формы и виды почвенной влаги

Роль почвенной влаги исключительно велика в почвообразовании (процессы выветривания и новообразований минералов, гумусообразование, химические реакции, в целом обособление: и формирование почвенного профиля и т.д.). 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.

В зависимости от количественного содержания воды в почве меняются все качественные ее стороны. В одних случаях она свободно движется вниз под влиянием сил гравитации, в других – она находится в неподвижном состоянии, в третьих – проявляет ясную тенденцию подтягиваться к верхним слоям почвы. Все эти процессы являются следствием действия соответствующих физических сил. Такими силами являются сорбционные, осмотические, менисковые и гравитационные.

Почвенная влага удерживается с различной силой, в связи с этим характеризуется неодинаковой подвижностью, обладает разными свойствами, поэтому почвенную воду принято делить на категории, формы и виды.

1. Вода, химически связанная или кристаллизационная, отличается исключительно высокой прочностью связей и неподвижностью. Входит она в состав химических соединений в виде гидроксильной группы, Fe₂O₃ + 3H₂O → 2Fe(OH)₃ (400–800^о C), или целыми молекулами СuSO₄ ∙ 2H₂O, Na₂SO₄ ∙ 10H₂O (200°С). Химически связанная вода растениям недоступна.
2. Сорбированная (связанная) вода – эта вода удерживается на поверхности почвенных частиц силами сорбции. Различают две категории сорбционной воды: прочносвязанную влагу (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную).

Прочносвязанная вода образуется в результате сорбции паров, находится в почвах в состоянии, близком к твердому телу, и удерживается у поверхности почвенных частиц очень высоким давлением – 10000-20000 атм. Плотность ее достигает 1,5–1,8 г/см³. Гигроскопическая вода, адсорбируясь на поверхности почвенных частичек, создает пленки толщиной в 2–3 молекулы. Данная влага для растений недоступна, она не растворяет питательные вещества, передвигается в почве только при переходе в парообразное состояние при температуре 105–110°С. Она замерзает при температуре от -4 до -78°С.

Предельное количество воды, которое поглощается почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха близкой к 100 %, называется максимальной гигроскопичностью.

Сорбционные силы поверхности почвенных частиц не насыщаются полностью за счет парообразной воды. При соприкосновении твердых частиц почвы с жидкой водой образуется дополнительная пленка из слабоориентированных молекул воды. Дополнительно сорбированная вода называется рыхлосвязанной, удерживается менее прочно, может передвигаться от почвенной частицы с большей пленкой к тем частицам, где пленка тоньше. От свойств свободной воды отличается менее резко, чем прочносвязанная.

Сила, с которой удерживается эта вода, измеряется значительно меньшим давлением – от 1 до 10 атм. Передвигается под влиянием сорбционных сил. Пленочная вода ограниченно доступна для растений. Осмотическое давление клеточного сока растений позволяет корневым волоскам всасывать эту воду. Но из-за крайне малой подвижности пленочной воды растение расходует запас влаги быстрее, чем он восстанавливается. Рыхлосвязанная вода замерзает при температуре от -1,5 до -4°С.

3. Свободная влага не связана силами притяжения с твердой фазой почвы, передвигается под влиянием капиллярных и гравитационных сил. Она делится на две формы: капиллярную и гравитационную.

Капиллярная влага находится в тонких порах почвы и передвигается в них под влиянием капиллярных сил, возникающих на поверхности раздела твердой, жидкой и газообразной фаз.

По характеру увлажнения она делится на капиллярноподвешенную и капиллярно-подпертую влагу. Подвешенная форма влаги встречается в четырех видах: стыковая капиллярно-подвешенная, внутриагрегатная капиллярно-подвешенная, насыщающая капиллярноподвешенная, сорбционнозамкнутая (пленочно-подвешенная).

Стыковая капиллярно-подвешенная влага находится в виде разобщенных скоплений вокруг точек соприкосновения твердых частиц, характеризуется отсутствием гидростатической сплошности, удерживается капиллярными силами.

Внутриагрегатная капиллярно-подвешенная влага находится в капиллярах, пронизывающих агрегаты; удерживается капиллярными силами.

Насыщающая капиллярно-подвешенная влага целиком заполняет тонкие поры почвы, удерживается капиллярными силами и силами смачиваемости первоначально сухой почвы.

Сорбционнозамкнутая влага находится в виде микроскоплений в некапиллярных порах, изолированных перемычками из связанной воды; удерживается сорбционными силами.

Подпертая влага делится на подперто-подвешенную капиллярную и подперто-капиллярную. Подперто-подвешенная капиллярная влага находится в мелко пористых слоях почвы, подстилаемых более легкими и более крупнопористыми слоями; удерживается капиллярными силами. Подперто-капиллярная влага находится в капиллярах, подпираемых грунтовыми водами или верховодкой, удерживается капиллярными силами.

Капиллярная влага замерзает при температуре несколько ниже 0^о (около -1,5^о). Величина осмотического давления капиллярной влаги колеблется от 0,5 атм. до 3–4 атм., и поэтому она является основным источником водоснабжения растений.

Свободная форма воды подразделяется на просачивающуюся гравитационную и грунтовую. Свободная форма воды находится в почве в крупных порах, свободно просачивается вниз под действием силы тяжести. Осмотическое давление этой воды не превышает 0,5 атм., поэтому она доступна растениям, но вследствие быстрого передвижения в почве в водоснабжении растений играет малую роль. Капиллярная и гравитационная формы влаги относятся к категории свободной воды.

Грунтовая вода. Гравитационная влага, просачиваясь вниз до водоупора, заполняет все поры лежащего над ним слоя, в связи с чем этот слой становится водоносным, а содержащаяся в нем влага называется грунтовой водой. Глубина, на которой находятся грунтовые воды от поверхности, называется глубиной залегания грунтовых вод, а верхняя поверхность грунтовых вод называется их зеркалом. Выше зеркала формируется зона капиллярного насыщения, которая называется капиллярной каймой. Глубина залегания грунтовых вод и их химический состав оказывают большое влияние на свойства почвы и жизнь растений. Подача и использование грунтовой воды растениями возможны в том случае, когда зеркало грунтовой воды находится от нижней границы корнеобитаемого слоя в супесчаных почвах не более чем на 0,5–1 м, в легкосуглинистых – на 1–1,5 м, в тяжелосуглинистых – на 3–5 м. Этот уровень залегания грунтовых вод носит название критического.

Парообразная влага образуется при испарении всех других форм почвенной влаги. Парообразная влага может передвигаться в почве двояким путем: диффузно и вместе с током почвенного воздуха. Парообразная влага в почве передвигается из более влажных мест, где упругость паров высокая, к менее влажным. При влажности почвенного воздуха близкой к 100 % направление передвижения парообразной влаги будет зависеть от градиента температуры. Пар будет передвигаться от более теплых к более холодным слоям.

Хотя общее количество парообразной воды не превышает 0,001 % веса почвы, она играет большую роль в перераспределении влаги в почве и, кроме того, предохраняет корневые волоски от высыхания.

При понижении температуры парообразная вода, конденсируясь, может переходить в жидкую.

Твердая вода образуется в почве в форме льда при ее промерзании в осенне-зимний период (сезонное промерзание) или сохраняется на определенной глубине в промерзшей толще почвогрунта, не оттаивая даже летом (вечная, многолетняя мерзлота). Твердая вода в почве, способная таять и испаряться, представляет собой потенциальный источник жидкой и парообразной воды.

Твердая вода неподвижна, растениям недоступна. Накопление воды в почве на протяжении осенне-зимнего периода имеет решающее значение для формирования урожая озимых и ранних яровых культур.

Большой практический интерес представляет накопление почвенной влаги за счет восходящего тока ее из нижних горизонтов почвогрунта в зимний период. В процессе промерзания почвогрунтов в подмерзлотной зоне аэрации возникает разрежение (вакуум). Вакуум в подмерзлотной зоне способствует интенсификации процессов испарения влаги из капиллярной каймы грунтовых вод, восходящей миграции, конденсации и кристаллизации в зоне нижней подвижной границы промерзания. В период весеннего таяния мерзлотного слоя мерзлотная перемычка между верхней и нижней границами таяния исчезает, возникает резкая нисходящая миграция (компрессионный подсос почвенной влаги) в нижележащие слои, где давление меньше атмосферного. Подсос влаги приводит к выносу подвижных органических и минеральных веществ из корнеобитаемого слоя.

В естественных природных условиях многолетние травы, кустарники, древесные насаждения с глубокопроникающей корневой системой в ранневесенний период способны за счет перераспределения влаги и воздуха в тканях выравнивать давление в подмерзлотной зоне с атмосферным.

Приемы, исключающие обратимый нисходящий перенос влаги в весенний период, должны быть сориентированы на лесомелиоративные мероприятия.

3. Основные почвенно-гидрологические константы

Границы значений влажности, характеризующие пределы проявления различных форм и категорий почвенной влаги, называются почвенногидрологическими константами. В агрономической практике величинами почвенно-гидрологических констант характеризуются пределы доступности влаги для растений. Роде рассматривает почвенногидрологические константы как точки на шкале влажности почвы, при которых количественные изменения в подвижности влаги переходят в ее качественные отличия.

Выделяют восемь основных почвенно-гидрологических констант, которые выражаются в процентах от массы или объема почвы.

1. Максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ) – наибольшее количество прочносвязанной воды, удерживаемое силами адсорбции, влага недоступна для растений.
2. Максимальная гигроскопичность (МГ) – наибольшее количество влаги, которое может сорбировать почва из воздуха при относительной влажности воздуха близкой к 100 %; влага не доступна растениям.
3. Почвенная влажность устойчивого завядания растений (ВЗ) – влажность, при которой растения начинают обнаруживать признаки завядания, не исчезающие при перемещении растений в атмосферу, насыщенную водяными парами; нижний предел доступности растениям влаги. Влажность завядания определяется свойствами почв и видом растительности. В песчаных почвах она колеблется в пределах 1–3 %, в супесчаных. – 4–6, в суглинистых – 10–12, в глинистых – 20–30. В торфах влажность завядания достигает 60–80 %. Что касается вида растительности, то, например, засухоустойчивые злаки завядают при меньшей влажности, чем влаголюбивые растения. Значительное влияние на величину коэффициента завядания оказывает засоление; почв, увеличивая его пропорционально степени засоления. Таким образом, на почвах засоленных и тяжелого гранулометрического состава недостаток влаги для растений будет проявляться раньше, чем у почв незаселенных и более легкого гранулометрического состава.
4. Максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ) – характеризует верхний предел содержания в почвах рыхлосвязанной воды. Зависит в основном от гранулометрического состава. В глинистых почвах она может достигать 25–30 %, в песчаных – не превышает 5–7 %.
5. Влажность разрыва капиллярной связи (ВРК) – влажность почвы, лежащая в интервале между наименьшей влагоемкостью и почвенной влажностью устойчивого завядания растений, при которой подвижность подвешенной влаги в процессе иссушения резко уменьшается. Характеризует нижний предел оптимальной влажности. По всем экспериментальным данным эта величина составляет в среднем 50–60 % от наименьшей влагоемкости почв, по может повышаться и до 75– 85 % от НВ. Величина ВРК в значительной мере зависит от вида растений и от фазы их развития. ВРК даже для одного вида растений, но в разные фазы роста может значительно колебаться (например, у озимой пшеницы величина ВРК от фазы кущения к фазе колошения возрастает от 70 до 80 % от НВ). Величину ВРК используют при расчете поливной нормы (m), где оптимальной считается влага, находящаяся в границах от ВРК (нижний предел оптимума) до НВ (верхняя граница оптимума влаги).
6. Наименьшая, или предельная полевая влагоемкость (НВ или ППВ) – максимальное количество капиллярно-подвешенной влаги. Ее величина широко используется в агрономической и мелиоративной практике при расчете поливных и промывных норм, продуктивной^: влаги и ее дефиците в почве и т.д. Под дефицитом влага понимают разность между запасами при НВ и количеством влаги в изучаемом слое почвы в момент исследования. Для получения наивысшей продуктивности: сельскохозяйственных культур необходима влажность почвы в пределах от 70 до 100 % от наименьшей влагоемкости (т.е. это ВРК), ее снижение приводит к уменьшению урожайности и снижению качества продукции. Основным способом, препятствующим этому, является орошение. Знание величины НВ, правильное ее применение является главным условием рационального регулирования водного режима почв, в том числе и при орошении.
7. Капиллярная влагоемкость (КВ) – наибольшее количество капиллярно-подпертой воды, которое может удерживаться в слое почвы, находящемся в пределах капиллярной каймы. Она зависит от того, на какой высоте от уровня грунтовых вод её определяют – чем выше, тем ниже показатели КВ. Капиллярная влагоемкость зависит также от гранулометрического состава. При близком залегании грунтовых вод (1,5–2,0 м) для среднесуглинистых почв, в пределах почвенного профиля, она составляет 30–40 %.
8. Полная влагоемкость (ПВ), или водовместимость – наибольшее количество воды, которое может вместить почва при полном заполнении всех пор водой. Она, примерно, соответствует общей порозности, поскольку 5–6 % пор остается с защемленным почвенным воздухом. Полная влагоёмкость чаще составляет 40–50 % от объема, с колебаниями от 30 % в бесструктурных, уплотненных минеральных горизонтах до 80 % – в обогащённых органическим веществом горизонтах почв. При полной влагоемкости, если отсутствует подпор грунтовых вод, влага в крупных межагрегатных порах передвигается под действием гравитационных сил. Такая вода называется гравитационной. Она может быть просачивающейся (после выпадения осадков, таяния снега) и в виде водоносных горизонтов (грунтовые, почвенно-грунтовые воды). Гравитационная вода доступна для растений, но непродуктивна, поскольку является избыточной.

Почвенно-гидрологическим константам, характеризующим водные свойства почвы, соответствуют различные значения влажности в зависимости от типа почвы, ее гранулометрического состава.

Для большинства сельскохозяйственных растений содержание воздуха, обеспечивающее нормальные условия их жизнедеятельности и необходимый газообмен между почвой и атмосферой, составляет 20–40 % порозности. Это обеспечивается уровнем влажности почвы, соответствующим 60–80 % НВ.

Доступная для растений почвенная влага находится в пределах от наименьшей влагоемкости до влажности разрыва капилляров. Это оптимальный диапазон влажности. Однако экологический оптимум влажности почвы у различных растений существенно различается.

Несмотря на влияние многих биологических и физических факторов, определяющих продуктивность сельскохозяйственных угодий, рост и развитие растений, общий уровень накопления органических веществ растениями пропорционален величине суммарного испарения.

Физическое испарение воды из почвы и физиологическое (транспирация) растениями составляют суммарное испарение или эвапотранспирацию. Луга испаряют за год 766–1533 мм, пшеничное поле – 803–1022, кукурузное – 1095–1460 мм и т. д. В зрелых растительных сообществах величина эвапотранспирации прямо пропорциональна годовой первичной продуктивности.

Для интенсивно развивающихся растительных сообществ, какими являются посевы сельскохозяйственных культур, необходимо учитывать величину физиологического испарения – транспирацию. Незначительная часть (от 1,2–1,5 до 5 %) поглощенной растениями воды участвует в процессе фотосинтеза и образует органическое вещество, а основная – идет на транспирацию. Вода необходима растению во все периоды жизни: потребность в воде только доя прорастания семян составляет 30–100 % их массы, в дальнейшем на образование 1 г сухого органического вещества растениям требуется от 200 до 1000 г воды.

Количество воды (г), израсходованное на накопление растением 1 г сухого вещества, называют транспирационным коэффициентом.

Если вода и элементы питания не являются лимитирующими, то рост растений пропорционален общему поступлению энергии на поверхность Земли. Поскольку большая часть энергии поступает в виде тепла и эта часть, в основном обеспечивающая транспирацию, постоянна, то рост растений прямо пропорционален транспирации.

Однако увеличение транспирации и, таким образом, продуктивности сельскохозяйственных культур возможно только при соблюдении оптимальной для каждого растения влажности почвы. Избыток влаги в почвах, когда влажность превышает наименьшую полевую влагоемкость, угнетает рост и развитие растений.

Различные растения по-разному переносят переувлажнение. Растения, приспособленные к избытку влаги, могут образовывать в корнях внутренние воздухоносные ткани (кукуруза, рис). Приспособление к плохой аэрации заключается в развитии неглубокой корневой системы в верхнем слое почвы, который лучше обеспечен кислородом. В переувлажненных почвах воздуха не содержится. Растворенный в воде кислород, поступающий из атмосферы, быстро потребляется верхним слоем почвы. Растения до определенной степени могут приспосабливаться к недостатку кислорода и переносить условия переувлажнения или затопления почв.

Регулирование водного режима, основанное на знании форм почвенной воды и их доступности растениям, а также отношения растений к почвенному увлажнению, – необходимое условие эффективного хозяйствования.

4. Водные свойства почвы

Основными водными свойствами почвы являются водоудерживающая способность, водопроницаемость, водоподъемная способность и водоотдача.

Водоудерживающая способность – свойство почвы удерживать то или иное количество воды, обусловленное действием сорбционных и капиллярных сил.

Сорбция воды тем сильнее проявляется в почве, чем больше ее дисперсность. Сорбция зависит от гранулометрического состава, минералогического и химического состава почвы, а также от содержания гумуса. Различают хемосорбцию, сорбцию парообразной воды и адсорбцию жидкой влаги.

Хемосорбция протекает при образовании новых соединений, в состав которых входит вода. Энергия поглощения при хемосорбции исключительно велика, и сорбированная влага закрепляется весьма прочно.

Почва из всех газов и паров, соприкасающихся с ее частицами независимо от парциального давления, наиболее интенсивно поглощает пары воды, т.к. они лучше других смачивают почву и тем самым максимально уменьшают свободную энергию твердых тел.

Свойство почвы сорбировать парообразную влагу называется гигроскопичностью, а поглощенная влага гигроскопической. Чем больше воздух насыщен парами воды, тем больше ее поглощается почвой. Когда относительная влажность воздуха приближается к 100 %, почва поглощает максимальное количество влаги.

Это наибольшее количество гигроскопической воды, поглощенное почвой и выраженное в процентах от массы сухой почвы, называется максимальной гигроскопичностью. Она в среднем в 1,5–2 раза больше гигроскопической влаги. Величина гигроскопичности зависит от дисперсности, минералогического состава, гумусированности и состава обменных оснований почвы. Чем тяжелее почва, чем больше в ней коллоидных частиц и гумуса, тем выше ее гигроскопичность. Минералы группы монтмориллонита поглощают влаги больше минералов группы каолинита.

По мере увеличения емкости поглощения увеличивается содержание гигроскопической влаги в почве.

Сорбция водяных паров при высокой относительной влажности воздуха сопровождается капиллярной конденсацией, которая проявляется на стыках между почвенными частицами, где скапливается сорбированная влага. В связи с этим максимальная гигроскопичность будет слагаться не только за счет прочносвязанной влаги, но и за счет влаги капиллярной конденсации.

Величина максимальной гигроскопичности в верхних горизонтах подзолистых почв равна 2,5 %, дерново-подзолистых – 5 %, черноземов – 10–11 %, каштановых – 10–11 %, красноземов – 14 %, сероземов — около 5 %. В песчаных и супесчаных по гранулометрическому составу почвах максимальная гигроскопичность равняется 0,5–1 %; в суглинистых почвах – 3–9 %; в глинистых почвах – 9–15 %. Наибольшая величина МГ характерна для торфяных почв (более 30 %).

По данным Г.Б. Гальдина максимальная гигроскопичность в черноземах выщелоченных Пензенской области колеблется в пределах 11–14 %.

Почва, насыщенная до состояния максимальной гигроскопичности, при соприкосновении с водой сохраняет способность притягивать новые порции воды. Такая сорбированная влага удерживается почвенными частицами с меньшей силой, чем гигроскопическая, и поэтому она получила название рыхлосвязанной воды. Рыхлосвязанная влага на песчаных почвах образует более толстую пленку воды по сравнению с глинистыми. Это объясняется тем, что песчаные почвы имеют малую удельную поверхность и больший размер пор по сравнению с глинистыми. В глинистых почвах, имеющих большую удельную поверхность, но малую величину пор, сорбированная влага растекается по большей поверхности, но образует тонкую пленку воды.

Важной гидрологической характеристикой (константой) является влажность устойчивого завядания растений (ВЗ). Она может быть определена прямым методом в опытах с растениями, но чаще ее определяют расчетным путем, умножая показатель МГ на коэффициент 1,5. Влажность устойчивого завядания зависит, главным образом, от гранулометрического состава почвы, состава поглощенных катионов, засоленности, плотности почвы.

Влажность устойчивого завядания зависит не только от свойств почвы, но и от биологических особенностей растений и их возраста.

В песчаных почвах влажность устойчивого завядания составляет 1–3 %, в супесчаных – 4–6 %, в суглинистых – 10–12 % и глинистых – 20–30 %. Глины монтмориллонитового происхождения обладают более высокими показателями влажности завядания, чем глины каолинитовые. Для пахотных горизонтов почв и для обычных полевых культур влажность завядания колеблется, по данным С.И. Долгова, в пределах 10–20 %. Недоступность воды для растений при этих условиях влажности почв объясняется тем, что почва удерживает воду с силой 15–20 атм., что значительно превышает сосущую силу растений. Чем больше в почве органических веществ и особенно неразложившегося торфяного материала, тем выше влажность завядания (у торфа до 60–80 %).

Таким образом, недостаток воды для растений при прочих равных условиях в первую очередь будет наблюдаться на глинистых бесструктурных почвах и на почвах, содержащих большое количество грубого органического вещества.

Присутствие солей в почвах также весьма сильно понижает доступность воды для растений. Величина влажности завядания значительно возрастает по мере роста их засоленности (от 24 до 42 %). Поэтому на засоленных почвах недостаток влаги для растений в засушливый период или перед поливом проявляется раньше и более резко, чем на почвах незасоленных.

Водоудерживающая способность почв определяется их влагоемкостью, отсюда следует, что влагоемкость – это количество воды, характеризующее водоудерживающую способность почвы. В зависимости от сил, удерживающих влагу в почвах, различают полную, наименьшую, капиллярную и максимальную адсорбционную влагоемкости.

Полная влагоемкость – это количество воды, удерживаемое почвой в состоянии полного насыщения, когда все поры, как капиллярные, так и некапиллярные, заполнены водой. Величина полной влагоемкости колеблется в пределах 40–50 %, опускаясь иногда до 30 % и возрастая в отдельных случаях до 80 %.

Вода в насыщенной до полной влагоемкости почве находится в сорбционной, капиллярной и гравитационной формах.

Полная влагоемкость дает возможность подсчитать то максимально возможное количество воды всех категорий, которое почва в состоянии вместить в своей толще. Иначе говоря, полная влагоемкость характеризует водовместимость почвы. Обычно полную влагоемкость рассчитывают по общей пористости почвы: ПВ = Р, если ПВ в процентах от объема почвы, или ПВ = Р/d_V, если ее выражают в процентах от массы абсолютно сухой почвы. Однако, вследствие набухания почвы при ее увлажнении, а также наличия защемленного воздуха полная влагоемкость на 5–10 % меньше расчетной.

Наименьшая влагоемкость, или ППВ, – это максимальное количество влаги, которое способна длительное время удерживать почва после обильного увлажнения и свободного стекания воды при условии исключения испарения и капиллярного увлажнения за счет грунтовых вод. Наименьшая влагоемкость является важнейшей характеристикой водных свойств почвы. При наименьшей влагоемкости в почве содержится максимальное количество доступной для растений влаги, т.к. 55–75 % пор почвы заполнено влагой.

Наименьшая влагоемкость зависит главным образом от гранулометрического состава, содержания гумуса и сложения почвы. Чем тяжелее почва по гранулометрическому составу, чем больше в ней гумуса, тем выше ее полевая влагоемкость; очень рыхлая и сильно плотная почвы имеют меньшую влагоемкость, чем почва средней плотности.

Знание наименьшей влагоемкости приобретает важное значение при орошении, т.к. позволяет правильно рассчитать поливную норму:

ОПН = 0,3 ∙ НВ ∙ 10 = м³/га НВ = 0,1 Нв ∙ d_V ∙ h = мм

В среднем наименьшая влагоемкость составляет для песчаных почв 4–9 %, для супесчаных – 10–17 %, для легко и среднесуглинистых почв – 18–30 %, для тяжелосуглинистых и глинистых почв – 23– 40 %. Для черноземов Пензенской области НВ составляет 25–36 %. Исключительно высока она у торфяных почв (до 400 %). Запасы продуктивной влаги при увлажнении почвы до наименьшей влагоемкости в метровом слое на площади 1 га составляют: у песчаных почв – 700– 1100 м³, у супесчаных, легко- и среднесуглинистых – 1200–1700 м³ и у тяжелосуглинистых и глинистых – 1500–2100 м³.

Капиллярная влагоемкость – это количество воды, удерживаемое почвой в капиллярно-подпертом состоянии. Капиллярная влагоемкость почвы – величина непостоянная, она зависит от того, на какой высоте над зеркалом грунтовых вод находится тот или иной слой почвы. Чем ближе он к зеркалу грунтовых вод, тем выше и величина капиллярной влагоемкости. Величина ее зависит от общей и капиллярной пористости, а также от плотности почвы.

Максимально-адсорбционная влагоемкость – наибольшее количество прочносвязанной влаги, которое способна удержать почва. Она немного меньше величины максимальной гигроскопичности и составляет около 60–70 % от МГ.

Водопроницаемость – способность почвы воспринимать и пропускать через себя воду. В процессе водопроницаемости различают впитывание влаги и ее фильтрацию. Впитывание – это поступление воды в почву ненасыщенную влагой; фильтрация же начинается с момента, когда большая часть пор почвы данного слоя заполнена водой.

Водопроницаемость измеряется количеством влаги, поступившей в почву с ее поверхности. Водопроницаемость может играть как положительную, так и отрицательную роль. При плохой водопроницаемости влага застаивается на поверхности почвы или стекает по уклону. При очень высокой водопроницаемости влага выпадающих осадков быстро опускается за пределы корневой системы растений.

Водопроницаемость зависит от гранулометрического состава, структуры, сложения, минералогического и катионного состава почв. Лучше всего она выражена на почвах легкого гранулометрического состава, хуже – на бесструктурных суглинистых и глинистых почвах. Сильно снижают водопроницаемость плужная подошва и солонцовый горизонт. При содержании в почве значительного количества поглощенного натрия почвы быстро набухают и становятся практически непроницаемыми для воды.

В почвенной толще водопроницаемость характеризуется различной скоростью:

V = (Q ∙ 10)/(S ∙ t),

где Q – расход воды, см³, S – площадь поперечного сечения, см², V – скорость впитывания и фильтрации, мм/мин, t – время, мин.

Качинский предложил градации почв по водопроницаемости. Если почва пропускает за час более 1000 мм воды, водопроницаемость считается провальной, от 1000 до 500 мм – излишне высокой, от 500 до 100 мм – наилучшей, от 100 до 70 мм – хорошей, от 70 до 30 мм – удовлетворительной, менее 30 мм – неудовлетворительной.

Скорость фильтрации со временем снижается. Уменьшение ее зависит от гранулометрического состава, водопрочности агрегатов, плотности сложения и солонцеватости.

Водоподъемная способность – свойство почвы вызывать капиллярный подъем влаги. Водоподъемная способность определяется агрегатностью, гранулометрическим составом и сложением почвы. Благодаря капиллярным явлениям и водоподъемной способности почв грунтовые воды оказывают большое влияние на почвообразование и развитие агрономических свойств почвы.

Водоотдача – способность почвы отдавать гравитационную влагу путем стекания. Максимальная величина водоотдачи (МВО) равна разности между величинами ПВ и НВ. В различных почвах и грунтах величина МВО варьирует от 25–30 % в песчаных до 3–6 % в лессовидных и долей процента в тяжелых глинистых породах.

5. Водный баланс почв

Водный баланс почв характеризует приход влаги в почву и ее расход из почвы. Водный баланс – это количественное выражение водного режима почвы.

Поступление воды в почву осуществляется за счет:

1. атмосферных осадков в виде дождя и снега (в Пензенской области в основном за счет снега) (О_С);
2. конденсации парообразной влаги, содержащейся в приземном слое воздуха (В_К);
3. внутрипочвенного притока влаги за счет грунтовых вод (В_Г) и (В_б);
4. пополнения почвы водой за счет поверхностного притока влаги (В_ПР).

Поступившая на поверхность почвы и впитавшаяся в почву влага расходуется в результате:

1. поверхностного стока и сноса снега (В_П);
2. внутрипочвенного и грунтового стока (В_И) и (В_С);
3. испарения почвой (Е_ИСП);
4. испарения растениями (Е_Т).

Зная приходные и расходные статьи баланса, можно легко составить уравнение баланса:

В₀ + О_С + В_К + В_Г + В_б + В_ПР = Е_ИСП + Е_Т + В_И + В_С + В_П + В₁

В₀ – начальный запас влаги в мм, В₁ – конечный запас влаги в мм. Если в климате не наблюдалось существенных изменений, то запасы воды в начальный и конечный период цикла можно принять за равные величины (В₀ = В₁). В таких случаях водный баланс бывает равным нулю.

Для склоновых элементов рельефа В_б = В_С. Содержание конденсирующейся влаги по сравнению с другими статьями настолько мало, что ее можно не учитывать. С учетом этих допущений уравнение примет следующий вид:

О_С + В_Г + В_ПР = Е_ИСП + Е_Т + В_И + В_П

Водный баланс характеризуется годовыми циклами, когда через годичный период процессы поступления и расхода влаги повторяются. Водный баланс может быть составлен применительно к разным почвенным слоям.

При составлении водного баланса и вычислении запасов воды необходимо правильно определить суммарную мощность почвенной толщи. Расчетная мощность почвогрунтов прежде всего определяется глубиной проникновения корневой системы. Корни лесных и плодовых насаждений распространяются на глубину 6–10 м, корни травянистых многолетних растений – на глубину 4–6 м, корни злаков – до 1,5–2 м.

При составлении годового водного баланса учитывают также глубину залегания грунтовых вод.

Запасы воды в отдельных генетических горизонтах, необходимые для расчета баланса, определяют по формуле:

В = а ∙ d_V ∙ Н = м³/га

Запасы воды в почве, учитываемые в течение вегетационного периода, позволяют судить об обеспеченности сельскохозяйственных растений влагой. В агрономической практике важно учитывать общий и полезный запасы воды в почве.

Общий запас воды (ОЗВ) – суммарное ее количество на заданную мощность почвы, выраженное в м³/га:

ОЗВ, м³/га = (а¹ ∙ d_V¹ ∙ H¹) + … + (aⁿ + d_Vⁿ + Hⁿ) Полезный запас воды в почве – суммарное количество продуктивной, или доступной растениям, влаги в толще почвогрунта. Чтобы рассчитать ПЗВ, нужно определить ОЗВ и ЗТВ (запас труднодоступной влаги).

ЗТВ = (В_З¹ ∙ d_V¹ ∙ H¹) + (В_Зⁿ + d_Vⁿ + Hⁿ)

Разность между ОЗВ и ЗТВ дает количество полезной воды в почве.

ПЗВ = ОЗВ – ЗТВ

По А.М. Шульгину оптимальный запас продуктивной влаги в метровом слое почвы в период вегетации находится в пределах от 100 до 200 мм, а в пахотном слое – от 20 до 50 мм.

Водный режим – это совокупность явлений поступления, передвижения, изменения физического состояния и расхода воды в почвах. Поступление воды в почву и ее расход характеризуется водным балансом.

Статьи прихода воды в почву:

• атмосферные осадки,
• грунтовые воды,
• конденсация из паров воды,
• поверхностный боковой приток,
• внутрипочвенный боковой приток.

Статьи расхода воды из почвы:

• испарение,
• транспирация (десукция),
• фильтрация (грунтовый сток),
• поверхностный сток,
• внутрипочвенный боковой сток.

Все величины прихода и расхода выражаются в мм или в м³/га. Обычно рассчитывается годовой баланс влаги.

Если не происходит прогрессирующего иссушения или увлажнения территории, то сальдо водного баланса близко к нулю, а отклонения объясняются погодными условиями года.

Типы водного режима формируются под воздействием основных статей водного баланса, ведущими из которых являются осадки и испаряемость. Отношение осадков к испаряемости характеризуется коэффициентом увлажнения (КУ), предложенным Г.Н. Высоцким и Н.Н. Ивановым.

Основы учения о водных режимах почв были заложены Г.Н. Высоцким и А.А. Роде. Ими было выделено 6 типов водного режима и несколько подтипов. В настоящее время принято выделять 14 типов водного режима.

Промывной водный режим формируется в гумидных областях (таежно-лесная зона, влажные тропики и субтропики), где осадки: превышают испаряемость (КУ > 1). Атмосферные осадки ежегодно промачивают почвенно-грунтовую толщу до уровня почвенногрунтовых вод, часто весной и осенью в таких почвах формируется верховодка. Для почв с промывным типом режима характерен вынос значительной части продуктов почвообразования за пределы почвенной толщи (подзолистые, красноземы, желтоземы и др.).

Периодически промывной водный режим формируется на границе влажных (гумидных) и полувлажных (семигумидных) областей (КУ 0,8–1,2). Для таких территорий характерно промачивание атмосферными осадками почвенно-грунтовой толщи до уровня грунтовых вод один раз в 10–15 лет. Для почв с периодически промывным типом водного режима характерен заметный вынос продуктов почвообразования за пределы почвенной толщи или в нижнюю часть почвенного профиля (серые лесные почвы, оподзоленные и выщелоченные чернозёмы).

Непромывной водный режим формируется в полувлажных (семигумидных) областях и полусухих (семиаридных) областях (КУ 1,0– 0,33). Почвенная толща промачивается в пределах 1–2,5 м. Между промачиваемой толщей и капиллярной каймой грунтовых вод существует горизонт с постоянной в течение всего года низкой влажностью, близкой к ВЗ (мертвый горизонт, по Г.Н. Высоцкому). Для почв с непромывным водным режимом (чернозёмы степной зоны, каштановые почвы сухих степей) характерно накопление продуктов почвообразования в почвенном профиле.

Аридный (сухой) водный режим формируется в аридных областях (КУ< 0,33) (бурые полупустынные и серо-бурые пустынные почвы). В течение всего года в почвах влажность приближается к ВЗ и только после выпадения осадков несколько повышается.

Выпотной водный режим складывается в почвах семиаридного и аридного климата (КУ < 0,55) при неглубоком залегании грунтовых вод. Капиллярная кайма грунтовых вод поднимается к поверхности почв, при этом влага испаряется, а растворённые в ней соли скапливаются в поверхностных горизонтах. Таким образом, формируются гидроморфные солончаки и солончаковатые почвы. Выпотной режим подразделяется на собственно выпотной и периодически выпотной.

Десуктивно-выпотной водный режим формируется в почвах ссмиаридного и аридного климата (КУ < 0,55), но при более глубоком залегании грунтовых вод, чем у почв с выпотным режимом. Поэтому капиллярная кайма не достигает поверхности почвы, но охватывает зону распространения корневых систем и испаряется не физически, а десуктивно через посредство растений. В таких почвах (они называются полугидроморфными: лугово-черноземные, луговокаштановые и др.) чередуются периоды с нисходящими (рано весной) и восходящими токами влаги (летом). Водорастворимые соли скапливаются не в поверхностных горизонтах, а на верхней границе капиллярной каймы. Если грунтовые воды не засолены, то при таком водном режиме формируются почвы с повышенным плодородием и лучшими условиями увлажнения по сравнению с почвами водоразделов с непромывным типом водного режима.

Паводковый водный режим характерен для речных пойм и дельт, где поверхность почвы ежегодно или раз в несколько лет подвергается затоплению паводковыми водами. Он распространен во всех природных зонах и сопровождается накоплением аллювиальных отложений. В межпаводковые периоды паводковый водный режим сменяется другим типом водного режима (промывной, непромывной, выпотной и др.), в зависимости от природной зоны и положения в рельефе.

Амфибиальный режим формируется при постоянном или длительном затоплении почв водой (морские и озерные мелководья, речные плавни и др.).

Мерзлотный водный режим характерен для областей вечной мерзлоты. В течение большей части года вода находится в форме льда, и только в летние месяцы почва оттаивает на небольшую глубину и формируется надмерзлотная верховодка.

Водозастойный водный режим характерен для болотных почв атмосферного и грунтового увлажнения при плохом дренаже. В течение большей части года влажность почвы сохраняется в пределах полной влагоемкости и лишь в засушливые периоды несколько снижается.

Периодически водозастойный режим характерен для болотных почв грунтового увлажнения с ярко выраженными сезонными колебаниями уровня грунтовых вод. При этом влажность почв варьирует от полной влагоёмкости до уровня ниже наименьшей влагоёмкости.

Ирригационный водный режим создается при искусственном орошении. Он может существенно различаться в зависимости от норм и типа орошения, глубины залегания грунтовых вод, наличия и характера искусственного дренажа, водного режима природной зоны. Осушительный водный режим создаётся при искусственном осушении болотных и заболоченных почв. Он также может существенно различаться в зависимости от норм и типа осушения, глубины залегания грунтовых вод после осушения и водного режима природной зоны.

6. Регулирование водного режима почв

Регулирование водного режима почв во влажной зоне с большим количеством годовых, осадков не ограничивается осушительной направленностью. В ряде случаев, например на дерново-подзолистых почвах, летом появляется недостаток влаги и потребность в дополнительном количестве воды. Эффективное средство улучшения влагообеспеченности растений в Нечерноземье двустороннее регулирование влаги, когда избыток влаги отводится с полей по дренажным трубам в специальные источники и при необходимости подается на поля по тем же трубам или дождеванием.

Все приемы окультуривания почвы (создание глубокого пахотного слоя, улучшение структурного состояния, увеличение обшей пористости, рыхление подпахотного горизонта и др.) повышают ее влагоемкость и способствуют накоплению и сохранению продуктивных запасов влаги в корнеобитаемом слое.

В зоне неустойчивого увлажнения и засушливых районах регулирование водного режима направлено на максимальное накопление влаги в почве и на рациональное ее использование. Одни из наиболее распространенных способов влагонакопления – задержание снега и талых вод. Для этого используют стерню, кулисные растения, валы из снега и др. Для уменьшения поверхностного стока воды применяют зяблевую вспашку поперек склонов, обвалование, прерывистое бороздование, щелевание, полосное размещение культур, ячеистую обработку почвы и другие приемы.

Исключительная роль в накоплении влаги принадлежит полезащитным лесным полосам. Предохраняя снег от сдувания в зимнее время, они способствуют увеличению запасов влаги в метровом слое почвы к началу вегетационного периода на 50–80 мм и до 120 мм в отдельные годы. Под влиянием лесных полос сокращается непродуктивное испарение влаги с поверхности почвы, что также улучшает водообеспеченность полей. Наиболее эффективны ажурные и продуваемые лесные полосы. Большое значение в улучшении водного режима почв имеет введение чистых и особенно черных паров. Наибольший эффект чистого пара как агротехнического приема накопления влаги, проявляется в степной зоне и южной лесостепи. Весьма эффективным средством повышения запасов продуктивной влаги являются кулисные пары.

Накоплению и сохранению влаги в почве способствуют многие агротехнические приемы. Поверхностное рыхление почвы весной или закрытие влаги боронованием позволяет избежать ненужных потерь ее в результате физического испарения. Послепосевное прикатывание почвы изменяет плотность, поверхностного слоя пахотного горизонта по сравнению с остальном его массой. Создавшаяся разность плотностей почвы вызывает капиллярный подток влаги из нижележащего слоя и способствует конденсации водяных паров воздуха. В сочетании с увеличением контакта семян с почвенными частицами все явления, связанные с прикатыванием, усиливают прорастание семян и обеспечивают потребность растений в воде ранней весной. Применение минеральных в. органических удобрений способствует более экономному использованию влаги. В овощеводстве для сохранения влаги широко применяют мульчирование почвы различными материалами.

В пустынно-степной и пустынной зонах основной способ улучшения водного режима – орошение. При торошении борьба с непродуктивными потерями воды имеет особо важное значение в целях предотвращения вторичного засоления. В комплексе мероприятий по улучшению водообеспеченности растений в различных зонах важно предусматривать планомерное улучшение водных свойств почв, их структурного состояния.