Морозов А.Н
Лекция 19. ВЛАГА И ПОЧВА
Введение
Вода в почве может передвигаться, в основном,
в двух состояниях:
• в виде жидкости;
• в виде пара,
хотя содержаться она может ещё и в виде льда, и при этом даже ещё
и слегка двигаться…
Наиболее изучено передвижение влаги в почве
в жидком виде, наверное, потому, что оно легче поддаётся контролю
с помощью приборов.
Однако с помощью существующих приборов, измеряется
только результат передвижения влаги (то есть, содержание влаги в объёме
почвы в определённом горизонте), но не сам процесс её передвижения.
(Чтоб было понятно, представим себе бассейн, в который вода может
поступать по трубе и в виде атмосферных осадков, а также испаряться.
Если у нас нет осадкомера, измерителя испарения и водомера на трубе,
мы можем только оценить суммарное действие приходных и расходных статей
по изменению уровня воды в бассейне, однако если дно и стенки бассейна
не герметичны, появляется ещё и четвёртая статья баланса – фильтрационные
потери, которая вообще может исказить все наши представления о роли
трёх вышеуказанных!)
Классическим методом изучения режима влажности
почвы долгое время являлся термостатно-весовой способ (образцы почвы
извлекались из почвы тем или иным способом, укладывались в плотно
закрывающиеся металлические стаканчики, взвешивались, высушивались
в электропечах-термостатах и снова взвешивались. По разнице влажного
и сухого грунта вычислялась влажность почвы в точке отбора образца).
Были попытки использовать электрометрические
методы, путём измерения удельной электропроводности почвы, а также
гаммоскопические методы. Эти методы не нашли широкого применения из-за
того, что и электропроводность и проницаемость почвы для гамма-лучей
зависят не только от наличия свободной воды, но и от содержания солей
в почве и связанной воды в почвенных минералах.
Измерение только влажности в различных точках по глубине почвенного
слоя даёт лишь косвенное представление о передвижении влаги в ней.
Однако до сих пор нет приборов - потокомеров,
которые бы могли с удовлетворительной точностью напрямую измерять
количество влаги прошедшей через определённое сечение почвы (неважно,
в вертикальном или горизонтальном направлениях). Возможен такой случай,
когда влажность на одних и тех же глубинах остаётся длительное время
постоянной, а расход влаги на испарение доказан. Почему это происходит,
хорошо и понятно объяснил академик С.Ф.Аверьянов:
«очевидно, что в зажженной керосиновой лампе
керосин поднимается по фитилю, хотя влажность фитиля на определённой
высоте от уровня керосина остаётся постоянной».
Понятно, что керосин движется по фитилю за
счёт разности всасывающего давления у горящего конца фитиля и у уровня
керосина, но сколько именно керосина проходит в единицу времени через
фитиль, можно точно определить, лишь наблюдая за уменьшением объёма
керосина в резервуаре лампы (хотя, зная характеристики «керосинопроводности»
фитиля, его насыщенность керосином в разных точках по высоте и длину,
теоретически вполне возможно рассчитать и это).
То же самое происходит в почве при установившемся
во времени потоке влаги (это, как правило, происходит при достаточно
длительном иссушении её и при наличии подземного притока грунтовых
вод). В некоторых частных случаях профиль влажности почвы и уровень
грунтовых вод могут оставаться стабильными, несмотря на то, что поток
влаги к поверхности почвы будет иметь место (кстати, и наоборот, при
наличии подземного оттока уровень грунтовых вод может быть стабилен,
несмотря на выпадение осадков). Это легко может быть продемонстрировано
с помощью, т.н. лизиметров – герметически закрытых с боков и снизу
сосудов с почвой, устройство которых позволяет автоматически поддерживать
заданный уровень грунтовых вод на определённой глубине и учитывать
количество долитой воды. (Аналогично задачке по арифметике для 5 класса
средней школы о бассейне с двумя трубами. Через одну трубу втекает
вода, через другую – вытекает, и если количество втекающей воды равно
количеству вытекающей, то уровень в бассейне остаётся постоянным).
На рисунке 19.1 показана схема простейшего
лизиметра. Верхний край лизиметра обычно устанавливается на уровне
почвы (чтобы предохранить сам лизиметр от прогрева солнечными лучами,
а приборы для поддержания уровня грунтовых вод – в подвальном помещении.
Рисунок 19.1 Сосуд для измерения испарения
из почвы - лизиметр.
Равновесное состояние.
Теперь вспомним то, о чём мы говорили в лекциях
5 и 7 (см. рисунок 19.2) о силах, удерживающих разные по отдалённости
от почвенных частиц её мономолекулярных слоёв воды, и попытаемся понять
основные механизмы удержания влаги в почве.
Рисунок 19.2 Зависимость давления почвенной
влаги от толщины слоя влаги (числа слоёв молекул воды) вокруг почвенных
частиц
Для этого обратимся к основам гидростатики почвенной влаги. Напомним,
что обозначает термин уровень грунтовых вод (УГВ). Это
положение воды в колодце или скважине в статическом состоянии. На
этом уровне давление влаги в почве равно атмосферному. Выше
и ниже этого уровня давление почвенной влаги будет меняться согласно
законам гидростатики так, как это показано на рисунке 19.4 (в центре).
Хотелось бы подчеркнуть, что понятие УГВ, хоть и связано косвенно
с влажностью почвы, но оно ничего больше не значит, кроме того, что
выше выделено красным. Поэтому, когда говорят, что почва «подпитывается
влагой из грунтовых вод», у неискушенных читателей создаётся впечатление,
что там, ниже УГВ, расположен резервуар с водой (примерно так, как
у лизиметра на рис. 19.1!). На самом деле, там просто субстрат (грунт)
насыщен водой, и, по мере расходования почвенной влаги на испарение,
условная линия, отвечающая единственному признаку – давление на уровне
которой равно атмосферному, перемещается вниз, что и обнаруживается
с помощью скважины, колодца или т.н. пьезометра (измерителя давления,
если по-русски).
Почему же свободная (жидкая) вода появляется
на глубине этой условной линии? Да потому, что выше этой линии всасывающее
давление почвы удерживает воду от вытекания из почвы в колодец, а
ниже её, наоборот, гидростатическое давление выталкивает воду в колодец.
Ниже УГВ давление возрастает с глубиной на
величину погружения под УГВ и называется оно гидростатическое давление
(его совершенно случайно обнаружил в своей ванне древнегреческий учёный
– Архимед…, когда оно его чуть не вытолкнуло из оной!).
Если поместить датчик давления (пьезометр)
на глубину 6 м, то при УГВ 5 м он покажет положительное давление +1
м.водн.ст. или, приблизительно, 0,1 атм.
Датчик отрицательного, иначе, всасывающего давления почвенной влаги
(тензиометр), установленный на глубине 4 м покажет давление - 1 м.водн.ст.
(минус 1 м), то есть отрицательное. Оно, чем выше стоит датчик над
УГВ тем меньше (по абсолютной величине).
Обычно датчики отрицательного давления (тензиометры
см. рисунок 19.3) по своим конструктивным особенностям не в состоянии
показать давления менее - 5...- 7 м. из-за срыва вакуума в приборе,
однако энергетическое состояние влаги (которое можно установить другими,
косвенными методами) нам удобно и наглядно (условно) выражать именно
в атмосферах а не в джоулях на кг, поэтому мы, прекрасно зная что
вакуум мене 1 атмосферы, или ~10 метров водного столба не бывает,
будем использовать для наглядности привычные нам в обиходе единицы
- метры водного столба и атмосферы.
Рисунок 19.3 Устройство современного тензиометра
– прибора для измерения всасывающей силы почвы. При высыхания субстрата,
в котором находится пористый наконечник тензиометра, небольшое количество
воды из полости прибора переходит в субстрат, а в приборе возникает
вакуум, величину которого показывает вакуумметр. Если влажность субстрата
опять увеличивается, то влага возвращается в полость прибора и вакуум
в нем уменьшается
Если посмотреть на график давления почвенной
влаги (капиллярно-сорбционного давления) в различных слоях около частицы
почвы (см. лекции 5 и 7, а также рисунок 19.2), то можно убедиться,
что чем больше увлажнена почва (чем толще плёнки воды вокруг её частиц),
тем слабее вода связана с ней. Значит, чем выше вода находится над
УГВ тем большие силы нужны, чтобы удержать воду в равновесии с почвой,
а значит, тем суше будет там почва.
Для наглядности мы построили серию графиков
(рисунок 19.4), которые отражают состояние среднесуглинистой почвы
(влагозапас, давление почвенной влаги и влажность почвы) при равновесном
состоянии и УГВ = 5,0 м. Это не выдумка, а инструментально замеренные
параметры.
Рисунок 19.4.
Слева - график влагозапасов в слое почвы от поверхности почвы до глубины,
значения которой показаны слева от графика (зелёная линия – общий
влагозапас, светло зелёная – доступный влагозапас, синяя - уровень
грунтовых вод).
В центре - распределение давления почвенной влаги, находящейся в равновесном
состоянии при уровне грунтовых вод (УГВ) 5,0 м (синяя линия - уровень
грунтовых вод, красная - зависимость давления в метрах водного столба
от глубины).
Справа – график влажности среднесуглинистой почвы при равновесии (зелёная
линия – влажность почвы, синяя - уровень грунтовых вод, а красная
линия ограничивает доступность влаги для растений, так называемая
влажность завядания).
Давайте обсудим то, что показано на этих графиках.
Во-первых, - такое (равновесное) состояние в природе обычно наблюдается
поздней осенью, после осенних осадков, и ранней весной, после снеготаяния,
дождей, и, конечно, только в том случае, если количества атмосферных
осадков достаточно, чтобы компенсировать летнее иссушение почвы в
верхних её горизонтах. Летом такое состояние может возникнуть кратковременно
(спустя некоторое время после поливов). Об этом мы поговорим позже.
Как сказано выше, на рисунке 19.4 на левом графике отражается величина
запасов влаги в слое почвы от поверхности до глубины, указанной на
шкале, расположенной слева. Запасы доступной влаги в метровом слое
среднесуглинистой почвы достигают 1475 м3/га, в полутораметровом –
2260, а в двухметровом – 3075 м3/га. На какую глубину смогут проникнуть
корни растения, такие запасы и будут ему доступны, плюс та вода, которая
подтянется вверх за время, пока растение её «пьёт», и плюс та вода,
которая поступит за это время в виде дождей и конденсата (росы) из
воздуха. Как видите, чтобы понять, на что мы можем рассчитывать в
тех или иных природных условиях, невозможно обойтись без довольно
сложных расчётов. Об этом мы поговорим в следующей лекции, а пока
продолжим обсуждение.
На среднем рисунке показаны условия равновесия влаги: т.е. показано
давление влаги, выраженное высотой водного столба. Ниже УГВ – положительное,
а выше – отрицательное, то есть, всасывающее. А иначе как поднять
(и удержать) воду над УГВ?
На правом рисунке показано, какая будет влажность на разной глубине
при условии равновесия. Интересно отметить, что даже близко к поверхности
почвы она значительно (на 6 %) выше влаги замедления роста и на 14
% выше влажности завядания, и это при глубине грунтовых вод 5 м.!
Ниже УГВ влажность почвы (вернее, субстрата) остаётся постоянной,
соответствующей полному насыщению.
Для разных почвенных субстратов, в зависимости
от крупности частиц преобладающих фракций (а так же от формы и распределения
по крупности пор), характеристики зависимости давления почвенной влаги
от влажности довольно сильно отличаются. На рисунках 19.5 и 19.6 показаны
графики зависимости давления почвенной влаги от её влажности (а, следовательно
и от средней толщины водных плёнок или числа мономолекулярных слоёв)
для субстратов различного гранулометрического состава. Эти кривые
принято называть гидрофизическими характеристиками.
Поясним, почему мы привели два графика, внешне выглядящих по-разному,
но отражающих абсолютно одно и, то же. Дело в том, что гидрофизические
характеристики в литературе (для удобства) представляют, выражая давление
не в атмосферах (отрицательных), не в метрах или сантиметрах водного
столба, а значениями десятичных логарифмов давления (обозначая символом
pF), вычисленными по абсолютным значениями сосущей силы почвы, выраженной
высотой водного столба в сантиметрах, в виде, показанном на рисунке
19.6 с перевёрнутой шкалой pF. Поняли? Ну, если не поняли с первого
раза, не смущайтесь, я сам это понял с десятого раза. Давайте просто
посмотрим таблицу 19.1 из нескольких граф, чтобы было легко ориентироваться
в размерностях, применённых на рисунках.
Рисунок 19.5 Графики зависимости влажности
почвы от её давления (в атм.), или гидрофизические характеристики.
[1]
Рисунок 19.6. Графики зависимости влажности почвы от её давления,
или гидрофизические характеристики, выраженные, в отличии от изображённых
на рисунке 19.5, значениями pF = lg(-P), (P в см. водного столба).
[1]
Таблица 19.1 Сравнение показателей давления почвенной влаги в разных
единицах измерения.
|
Давление почвенной влаги
Р, см. водн.ст
|
Давление почвенной влаги
Р, м. водн.ст.
|
Давление почвенной влаги
Р, атм.
|
Значение показателя
pF = lg(-Р)
(Р в см. вод. ст.)
|
Значение энергетического
состояния почвенной влаги, джоуль на кг
|
|
- 1,00000
|
- 0,010
|
- 0,0009703
|
0,0
|
0,098
|
|
- 10,0000
|
- 0,100
|
- 0,0097030
|
1,0
|
0,983
|
|
- 100,000
|
- 1,000
|
- 0,0970300
|
2,0
|
9,833
|
|
- 1000,00
|
- 10,000
|
- 0,9703000
|
3,0
|
98,330
|
|
- 10000,0
|
- 100,000
|
- 9,7030000
|
4,0
|
983,300
|
|
- 31622,8
|
- 316,228
|
- 30,683602
|
4,5
|
3109,470
|
Таблица 19.2 Доступные естественные запасы
влаги при равновесном состоянии в слое почвы от её поверхности до
УГВ при различном УГВ.
|
Субстрат
|
Порозность в долях объёма
|
Глубина грунтовых вод,
м
|
|
0.50
|
1.00
|
1.50
|
2.00
|
2.50
|
3.00
|
5.00
|
|
Песок
|
0.42
|
1275
|
2275
|
2950
|
3525
|
4063
|
4575
|
10228
|
|
Супесь
|
0.46
|
1375
|
3100
|
4600
|
5925
|
7138
|
8283
|
15423
|
| Суглинок легкий |
0.50
|
1300
|
3225
|
3500
|
6625
|
8135
|
9575
|
17213
|
| Суглинок средний |
0.48
|
1010
|
2945
|
4720
|
6365
|
7918
|
9393
|
17418
|
| Суглинок тяжелый |
0.46
|
638
|
2600
|
4450
|
6208
|
7890
|
9520
|
17485
|
| Глина легкая |
0.46
|
325
|
2500
|
4625
|
6708
|
8758
|
10780
|
19423
|
Таблица 19.3 Доступные естественные запасы
влаги при равновесном состоянии в верх-нем метровом слое почвы при
различном положении грунтовых вод, м3/га
|
Субстрат
|
Глубина грунтовых вод,
м.
|
|
0.5
|
1.0
|
1.5
|
2.0
|
2.5
|
3.0
|
5.0
|
| Песок |
3475
|
2275
|
1225
|
800
|
663
|
600
|
538
|
| Супесь |
3575
|
3100
|
2575
|
2175
|
1888
|
1708
|
1560
|
| Суглинок легкий |
3500
|
3225
|
2900
|
2600
|
2335
|
2150
|
1978
|
| Суглинок средний |
3260
|
2895
|
2510
|
2220
|
1993
|
1828
|
1675
|
| Суглинок тяжелый |
2888
|
2600
|
2313
|
2108
|
1940
|
1813
|
1683
|
| Глина легкая |
2575
|
2500
|
2400
|
2308
|
2233
|
2173
|
2090
|
Теперь рассмотрим (рисунок 19,7), как выглядит
график давления почвенной влаги в неравновесном состоянии (при достаточно
быстром иссушении, почти до нулевой влажности, верхнего горизонта
почвы в летний период, когда влага не успевает подтянуться снизу).
Рисунок 19.7 Распределение общих влагозапасов,
запасов доступной влаги, давления почвенной влаги и влажности почвы
в неравновесном состоянии при глубине уровня грунтовых вод 5,0 м.
(Горизонтальный масштаб на среднем рисунке искажён, по сравнению с
аналогичным рисунком 19.4, поскольку если принять вертикальный и горизонтальный
масштабы одинаковыми, как на рисунке 19.4, график не поместится на
странице).При построении графиков на рисунке 19.7 использованы материалы
полевых режимных исследований, приведенные на рисунке 8.2 в лекции
8, обработанные с использованием гидрофизических характеристик, приведенных
на рисунке 19.5 в данной лекции.
Как изображено на рисунке 19.7 давление ниже
уровня грунтовых вод остаётся то же, что и при равновесном состоянии,
а на поверхности почвы оно может опуститься (по абсолютной величине)
до -10...-16 атм, или -100...-160 м.водн.ст. При этом надо помнить,
что в случае, если нет подземного притока грунтовых вод, их уровень
будет понижаться, по мере расходования с поверхности почвы на испарение,
так как влага достаточно интенсивно подтягивается вверх (вспомните
зажженную керосиновую лампу!) Следует учесть, что на этом и следующем
графиках вертикальный масштаб принят в несколько раз крупнее горизонтального,
чтобы график умещался на странице.
Сравним, чем отличаются состояния почвенной
влаги на рисунках 19.4 и 19.7, то есть при равновесном состоянии влаги
и при неравновесном.
Как и следовало ожидать, общие, и особенно, доступные влагозапасы
над уровнем грунтовых вод значительно меньше в случае иссушения почвы
и подстилающих горизонтов, то есть в неравновесном состоянии, чем
в случае равновесного состояния. Быстрое иссушение почвы в летний
период приводит к многократному увеличению всасывающей силы в верхних
горизонтах, чем и создаётся движущая сила, заставляющая подниматься
относительно свободную влагу из нижележащих горизонтов. Однако определить,
успеет ли эта влага напоить растения, достаточно трудно. Забегая немного
вперёд, укажем, что, сосущая сила в верхних горизонтах
возрастает в ~ 20 раз, но одновременно ещё быстрее уменьшается влагопроводность
почвенного субстрата. На рисунке 19.17 показано как изменяются коэффициенты
влагопроводности от влажности для различных почв. Если при полном
насыщении почвы влагой он по определению равен коэффициенту фильтрации
(Кв = Кф), то с понижением влажности почвы он уменьшается в степенной
зависимости, как это показано далее на рисунке 19.17.
Теперь рассмотрим аналогичную ситуацию, но
при глубине грунтовых вод 2,5 м. На рисунке 19.8 показана ситуация
при равновесном, а на рисунке 19.9 – при неравновесном состоянии влаги.
Легко заметить, что равновесные влагозапасы даже полуметрового слоя
при глубине грунтовых вод 2,5 м. не опускаются ниже предела влажности
завядания, запомним это (!).
Рисунок 19.8
Слева - график влагозапасов в слое почвы от поверхности почвы до глубины,
значения которой показаны слева от графика (зелёная линия – общий
влагозапас, светло зелёная – доступный влагозапас, синяя - уровень
грунтовых вод).
В центре - распределение давления почвенной влаги, находящейся в равновесном
состоянии при уровне грунтовых вод (УГВ) 2,5 м (синяя линия - уровень
грунтовых вод, красная - зависимость давления в метрах водного столба
от глубины).
Справа – график влажности среднесуглинистой почвы при равновесии (зелёная
линия – влажность почвы, синяя - уровень грунтовых вод, а красная
линия ограничивает доступность влаги для растений, так называемая
влажность завядания).4
Рисунок 19.9 Распределение общих влагозапасов,
запасов доступной влаги, давления почвенной влаги и влажности почвы
в неравновесном состоянии при глубине уровня грунтовых вод 2,5 м.
(Горизонтальный масштаб на среднем рисунке искажён, по сравнению с
рисунком 19.8, поскольку если принять вертикальный и горизонтальный
масштабы одинаковыми, как на рисунке 19.8, график не поместится на
странице).
Переходные состояния влаги при поливах или атмосферных осадках
До сих пор мы рассматривали либо равновесное
состояние влаги, то есть, когда влага не движется, либо хоть и изменяющиеся,
но почти стационарное состояние, когда поток влаги снизу, из насыщенной
зоны, медленно движется вверх, (как керосин по фитилю горящей лампы).
Прежде чем делать какие-либо выводы, кроме этих состояний интересно
рассмотреть период интенсивного поступления влаги в почву в виде атмосферных
осадков или поливов, когда изменения происходят очень быстро.
Рассмотрим два случая:
- на паханых почвах;
- на почвах с ненарушенной структурой.
При обильном поступлении воды на поверхность обработанной вспашкой
почвы идёт послойное насыщение её. При этом обычно считается, что
сначала верхние слои насыщаются до «полевой влагоёмкости», затем излишки
воды насыщают нижележащие слои и так далее (так обычно происходит
на высоко водопроницаемых песчаных и супесчаных почвах, где даже глубокая
вспашка не может сильно изменить структуру пор).
Однако в натуре на почвах суглинистых происходит несколько иначе.
В процессе полива верхние слои насыщаются до значительно большей влажности,
чем так называемая «полевая влагоёмкость», а потом, если поступление
воды с поверхности почвы продолжается, насыщаются нижележащие. На
рисунках 19.10 показана фактическая картина изменения влажности среднесуглинистой
почвы и давления почвенной влаги в разные сроки после полива при очень
глубоких грунтовых водах. На рисунке 19.10 (левом) показано, как меняется
влажность (по данным режимных наблюдений), а рядом с ним, на рисунке
19.10 (правом) показаны вычисленные с помощью гидрофизической характеристики
соответствующие значения давления почвенной влаги.
Рисунок 19.10 Фактическая картина изменения
влажности почвы на целинной опытной делянке (слева) и давления почвенной
влаги (справа) в разные сроки после полива при очень глубоких грунтовых
водах. На десятый день после полива наступают затруднения для водоснабжения
большинства растений, а на двадцатый они близки к полному завяданию.
Как только прекращается поступление воды с
поверхности почвы (конечно, имеется в виду летний период), параллельно
продолжающемуся процессу передвижения влаги из промоченных слоёв вниз,
из самых верхних слоёв начинается испарение, и влага здесь меняет
направление движения на обратное. Движение влаги достаточно быстро
приводит к наступлению равновесного состояния, которое в условиях
засушливого климата длится очень недолго, буквально, считанные часы.
На следующем рисунке 19.11 в обобщённом виде показано, что происходит
с давлением почвенной влаги сразу после полива и спустя некоторое
время. В горизонтах, где давление почвенной влаги больше равновесного,
влага стекает вниз, а где близко к равновесному - «сталкивает» вниз
влагу, ранее бывшую равновесной (происходит так называемый, капиллярный
сброс). По прошествии некоторого времени (1..2 сут), по мере иссушения
верхних слоёв, давление почвенной влаги в них становится меньше равновесного
и за счёт всё возрастающей разницы в давлениях (в сосущей силе) вновь
возникает поток влаги, направленный вверх.
Рисунок 19.11 Рисунок схематически поясняющий
как меняется в однородном субстрате давление почвенной влаги в период
от полива до 25 – го дня после полива в летний период.
В почвах, имеющих естественную структуру пор, проникновение воды в
почву при обильных осадках или поливах происходит несколько иначе,
чем описано выше. Дело в том, что при общей порозности паханых горизонтов
почвы, значительно большей, чем общая порозность почв в естественном
состоянии, водопроницаемость их для потока свободной влаги значительно
ниже (!). Это связано с тем, что распределение пор по размерам и их
направлению у паханых и непаханых почв очень различается. Кроме того,
на уровне нижней границы пахотного слоя, где весной влажность довольно
высокая, образуется плотная, так называемая, «плужная подошва».
(Рискую предложить своё понимания, почему она
возникает. Всякая механическая обработка суглинистого и глинистого
почвенного субстрата приводит к выжиманию влаги из крупных пор и резкому
уплотнению субстрата. Можете взять любой субстрат естественного сложения
с наличием 20…30 % и выше, глинистых частиц, увлажнить слегка водой
и попробовать его промесить, как тесто, по чуть-чуть добавляя воду,
при необходимости (обычно, при подготовке глины для сырцовых кирпичей,
эта операция в домашних условиях выполняется босыми ногами!). Результат
будет всегда одинаков, на чём и держится вся индустрия кирпичного
и гончарного производства, – вы получите прекрасный пластичный и однородно-плотный
полуфабрикат для формовки изделий керамики, который после сушки становится
твёрдым как камень (аналог плужной подошвы) и далее обжигается в печах!
И так при каждой вспашке, проведенной чуть раньше «спелости» почвы
(на границе пахотного горизонта).
Должен признаться и извиниться.
Вернувшись к чтению книги Е.И Овсинского (в пятый или десятый раз
(!), я обнаружил, что он уже 120 лет назад написал примерно тоже самое,
про прекрасный способ получения сырья для керамики из почвы с помощью
глубокой пахоты...!!!! Снимаю шляпу!
Непаханые почвы имеют систему ходов, образованную
как отмершими корнями растений, так и почвенной «живностью». Причём,
и корни, и «живность» образуют преимущественно крупные ходы в вертикальном
направлении, поскольку их задача - проникнуть во влажные горизонты
(за водой для корней, или выбраться из оных вверх за пищей – для «живности»).
И хотя доля этих сквозных крупных ходов в общей порозности относительно
невелика, их наличие имеет огромное значение для существенно другой
скорости впитывания и характера распределения влаги при поливах и
осадках, а также для процессов почвообразования и для роста новых
корней, о чём мы говорили в лекции 18.
Наши визуальные наблюдения
за впитыванием во время сильного ливня на вспаханных крутопокатых
(наклон около 15 градусов!) приташкентских лёссовидных суглинках и,
рядом расположенных, целинных участках, показали, что поверхностный
сток, повлекший за собой сильные размывы поверхности, образовался
на вспаханном участке, и совершенно отсутствовал на целинном,
имеющем естественную дернину. Это было так неожиданно, что трудно
было поверить собственным глазам: рыхлая свежевспаханная почва
впитывает влагу хуже, чем невспаханная! И это без плужной подошвы,
на свежевспаханной целине! Осмысление этого факта пришло гораздо позднее.
Субстрат с бо'льшим процентным содержанием пор (но мелких!) в паханном
горизонте, оказывается хуже впитывает воду, чем субстрат с редкими,
но крупными порами на целине.
На рисунке 19.12 показан очень наглядный результат
изучения проникновения влаги в почву учёными из Израиля (А.Якиревич
[5]), на котором видно, как выглядят сквозные поры. Рисунок получен
с помощью пропитки почвы цветной жидкостью с последующей послойной
раскопкой и зарисовкой контуров промачивания.
Рисунок 19.12 Общий контур промачивания (голубой
цвет) и области преимущественных потоков влаги (тёмно синий цвет).
На рисунке 19.13 заимствованном из лекции профессора
МГУ Е.В.Шеина, полученном с помощью томографа, также показано, как
выглядят сквозные ходы в образце ненарушенной структуры почвы.
Рисунок 19.13 Структура пор в образце почвы
ненарушенного строения.
Рисунок 19.14 Великий почвовед, основоположник
генетического почвоведения В.В.Докучаев, 1889..
В.В.Докучаев считал, что «Структура почвы –
самое загадочное почвенное свойство». Наверное, до сих пор оно таким
и остаётся…
В таблице 19.6 показана классификация почвенных
пор по диаметру и функции пор для растений, заимствованное из лекции
профессора МГУ - Е.В Шеина.
Таблица 19.6 Классификация почвенных пор по
диаметру и функциям для растений
| Класс пор |
Диаметр, мкм
|
Функции соответствующего
класса пор
|
Критические значения
порозности, см3/см3
|
| Макропоры |
>50
|
Быстрое стекание влаги,
дренирование почвы. Аэрация. Рост корней
|
>= 0.1
|
| Мезопоры |
50-0.2
|
Сохранение доступных для
растений запасов влаги и веществ
|
>= 0.15
|
| Микропоры |
<0.2
|
Запасы труднодоступных воды и веществ.
Недоступные запасы воды
|
<=0.2
|
Атмосферная ирригация.
Под термином атмосферная ирригация понимают
получение влаги растениями либо непосредственно из воздуха, либо из
почвы, увлажнённой росой.
Выпадение росы является обыденным, почти ежедневно
наблюдаемым явлением в средних широтах СНГ и во влажных тропиках,
реже, (в основном весной и осенью) наблюдается в степной и пустынной
зоне Центральной Азии, однако и здесь, в горной и предгорной зоне
можно наблюдать это явление даже летом (если встать до восхода солнца!).
Выпадение росы связано с падением температуры
воздуха в ночные и предутренние часы. Это происходит из-за радиационной
потери тепла почвой и приземными слоями воздуха в ночные часы в атмосферу,
особенно при безоблачном небе. С падением температуры воздуха уменьшается
количество влаги удерживаемой им в парообразной форме. Лишняя влага
конденсируется либо в виде тумана (облаков), либо капель воды на холодных
поверхностях листьев, почвы и камней.
В различных климатических зонах и в разные сезоны года этот процесс
имеет разную интенсивность и, соответственно, разное влияние на влажность
корнеобитаемой зоны.
В виду относительно слабой изученности этого
вопроса в количественном отношении, да ещё в сравнении на почвах с
мелкой и глубокой пахотой, мы постараемся вернуться к нему в одной
из последующих лекций.
Вот, что удалось разыскать в Интернете [6]
по поводу роли росы в различных климатических зонах:
"Подсчеты
показали, что выпадение осадков в виде росы может достигать иногда
10—20% от годовой суммы осадков в данном месте. Однако количество
конденсирующейся при выпадении росы влаги в течение суток невелико.
Имеются данные, что количество росы, выпадающее за одну ночь, как
правило, не превышает 0,2 мм. Поэтому, например, в практически бездождных
пустынях юго-западной части Африки, где, кстати, очень часты туманы,
они почти не имеют значения в жизни растений, поскольку могут смочить
слой песка толщиной не более 1—2 см, а такой слой полностью пересыхает
днем. Но в засушливых местах и в пустынях роса может поддерживать
водный режим листьев, и, кроме того, имеет довольно большое значение
для существования низших растений (лишайников и водорослей), покрывающих
иногда значительным слоем поверхность песка, почвы или скал. Определенную
роль играет туман как источник увлажнения листьев и почвы в поясе
так называемых туманных лесов во многих горных системах мира, особенно
в Новой Зеландии, в Северной и Южной Америке и др.
Очень сильное образование
росы наблюдается во влажных тропиках. Но в этих районах так часты
осадки, что добавление влажности за счет росы почти не имеет значения,
разве что для многочисленных эпифитов.
В умеренной зоне было
бы неправильно полностью игнорировать росу и туман, но нельзя и переоценивать
их значение. Дело в том, что какого-то существенного повышения влажности
почвы за счет тумана, видимо, не происходит, если только туман не
переходит в дождь. Большое значение, вероятно, имеет непосредственная
конденсация воды в почве и на ее поверхности (роса), особенно в том
случае, если температура почвы значительно ниже температуры воздуха.
Однако количественные оценки этого явления пока недостаточно известны.
Видимо, некоторое значение имеет восприятие росы непосредственно самим
листом. Но в общем балансе потребления влаги доля его невелика, хотя
некоторые опыты показали, что если участок растительности защищать
от выпадения на него росы, то растения развиваются хуже, чем на незащищенных.
Гораздо большее значение
имеют роса и туман в том отношении, что они снижают транспиранию растений,
особенно в критические моменты когда почва не имеет достаточного количества
воды. Это важно, например, для отростков, корни которых располагаются
в поверхностном, быстро пересыхающем слое почвы.
С другой стороны роса
вредна тем, что облегчает заражение растений грибками. Так, отмечено,
что картофель гораздо сильнее поражается фитофторой в туманные, росные
дни. Таким образом, роса и туман не увлажняют сухого аридного климата,
но значительно повышают влажность гумидного (влажного) климата и смягчают
отрицательное воздействие коротких сухих периодов".
Количественные показатели динамики влаги
в почве
Как мы уже говорили выше, для того, чтобы определить,
когда и сколько влаги доступно растениям, очень важно, хотя бы ориентировочно
знать, не только её количество в «корнедосягаемом» слое в момент посева,
или в какую-нибудь из фаз развития, но и сколько её может подтянуться
из нижележащих горизонтов. Тогда будет понятно, стоит ли сеять, что
именно сеять, и можно ли обойтись без орошения. Поэтому мы в следующих
лекциях поговорим о влагопереносе (прогнозном), с опорой на имеющиеся
факты. А пока рассмотрим известные зависимости, описывающие движение
влаги в пористых субстратах.
Количественная оценка интенсивности потоков влаги в разных субстратах
базируется на характеристиках самих насыщенных и ненасыщенных пористых
субстратов и на значении параметров воздействия на влагу, то есть
силах, влияющих на её передвижение.
Силы, заставляющие двигаться почвенную влагу
В прошлых лекциях мы уже немного говорили о
движении влаги в почве и подстилающих её субстратах, давайте немного
упорядочим наши знания. Равномерное (установившееся) движение влаги
в насыщенных водою пористых субстратах вызывается разностью давлений.
Великий французский учёный и инженер А.Дарси
открыл закон движения воды (фильтрации) в грунте, насыщенном водой.
Этот закон прост: скорость воды через трубку с грунтом, определённой
площади поперечного сечения S =1, пропорциональна разнице напоров,
и обратно пропорциональна длине пути:
V = Kф * (h1-h2) / L
Где: V – скорость воды;
h1 и h2 – напоры в начале и конце пути фильтрации;
L – длина пути фильтрации;
Кф – коэффициент пропорциональности, зависящий от фильтрационных свойств
пористого субстрата, он иначе называется коэффициент фильтрации или
коэффициент гидравлической проводимости.
Эта зависимость очень хорошо описывает фильтрацию
в песчаных субстратах, а вот когда её применяют к глинистым субстратам,
а не дай Бог, к почвам, то она может давать большие отклонения. Всё
дело в том, что глинистые частицы имеют, в отличие от песчаных, свойства
разбухать при насыщении и менять структуру порового пространства в
процессе увлажнения-иссушения. Тем более, эти свойства проявляются
в почвах, где «живут» или разлагаются корни растений, а также прочая
живность, ведь мы в предыдущих лекциях уже говорили о том, что отличает
субстрат от почвы.
На рисунке 19.15, заимствованном из лекции
профессора МГУ - Е.В.Шеина, показана схема, поясняющая формулу Дарси,
а на рисунке 19.16– портрет А.Дарси.
Рисунок 19.15 Схема иллюстрирующая закон А.Дарси.
Рисунок 19.16 Анри Филипп Гаспар Дарси (1803–1858
гг.)
Закон передвижения влаги в жидком состоянии
при неполном насыщении, в упрощённом виде, очень похож на закон Дарси,
только в качестве действующей силы служит разница не положительных
напоров, а разница всасывающих давлений, а вместо коэффициента фильтрации
используется, так называемый, коэффициент влагопроводности, зависящий
от влажности почвы (рисунок 19,17).
Этот закон записывается в следующем виде:
V = Кв(W) * (Нвс1 – Нвс2) / L
Где: Кв(W) – коэффициент влагопроводности, зависящий от влажности
почвы - W;
Нвс1 и Нвс2 – всасывающие давления в начале и в конце пути движения
почвенной влаги;
L – длина пути влаги.
Рисунок 19.17 Фактически измеренные значения коэффициента влагопроводности
различных почв от влажности
1. Пустынно-песчаные почвы Каракумов (В.Н.Чубаров, 1972, [2]).
2. Суглинистые почвы Уэбстэр (Kunzt R., Kirkham Don., 1962, [3]).
3. Суглинки Касторские (У.Дж.Стейпл, Р.П.Гунта, 1972, [3] ).
4. Пылеватые суглинки Гринвилл (У.Дж.Стейпл, Р.П.Гунта, 1972, [3]).
5. Глина Северогуверская (У.Дж.Стейпл, Р.П.Гунта, 1972, [3]).
6. Глина лёгкая Його (Moore R.,1939, [3])
7. Супесь (А.Морозов, 1975,[4])
8. Суглинок лёгкий (А.Морозов, 1975, [4])
9. Суглинок средний (А.Морозов, 1975, [4])
10. Суглинок тяжёлый (А.Морозов, 1975, [4])
11. Глина лёгкая (А.Морозов, 1975,[4])
Термоперенос влаги в почве
Кроме передвижения влаги в жидком виде в почве
наблюдается перенос её в парообразном состоянии. Заметное передвижение
влаги в виде пара наблюдается в ненасыщенных водой почвах от тёплых
зон к холодным. Это бывает при заморозках, когда поверхность намного
холоднее нижележащих слоёв почвы и влага движется к поверхности. А
в летний период температура верхнего слоя почвы значительно выше нижележащих,
и парообразная влага движется вниз. Кроме того, влага из воздуха конденсируется
ночью на остывшей почве, поскольку её температура, хоть и теплее нижележащих
слоёв, но намного ниже температуры воздуха.
Суть этого явления отражает схема на рисунке
19.18. На одном конце образца, предварительно равномерно увлажнённого,
устанавливается температура T1, на другом – Т2, (Т1 больше чем Т2)
в результате термовлагопереноса через некоторое время влага в образце
существенно перераспределяется, как это изображено на рисунке 19.18.
Следует отметить, что термовлагоперенос в летнее время противоположен
по направлению с потоком влаги, обусловленным капиллярно-сорбционным
переносом. То есть, под действием иссушения верхних слоёв почвы энергией
солнца, плёнки влаги «ползут» вверх, в то время, как влага в виде
пара стремится осаждаться в глубоких холодных слоях
Доля участия термовлагопереноса и атмосферной
влаги в увлажнении верхних слоёв почвы – вопрос спорный и мало изученный.
По оценкам Е.И.Овсинского [7] он очень значительный, однако при этом
Овсинский упоминает и о капиллярно-сорбционном переносе, возможно,
он имел в виду суммарное действие этих двух механизмов. По оценке
Р.Слейчера [8] доля термовлагопереноса и конденсационной влаги очень
незначительна. Чубаров [2] оценивает интенсивность паропереноса в
почвах на порядок меньшим, чем влаги в жидком виде. Во всяком случае,
наши опыты на колонке насыпного среднесуглинистого грунта высотой
2 м, находящейся в помещении (то есть, при отсутствии температурных
градиентов по глубине) показали достаточно высокую скорость восстановления
равновесной влажности при УГВ на глубине 2,0 м. Это свидетельствует
о превалирующей роли капиллярно-сорбционного переноса [9].
Рисунок 19.18 Схема термовлагопереноса в пористых
субстратах
На рисунке 19.19 показана экспериментальная
колонка с измерителями всасывающей силы почвы и УГВ.
Рисунок 19.19 Экспериментальная колонка. Слева
- подготовленная колонка; в середине – колонка с среднесуглинистым
субстратом, оборудованная пьезометрами и тензиометрами в лабораторном
помещении; справа – схема оборудования колонки.
(Синие трубки – пьезометры – перфорированные трубки, вставленные в
субстрат и соединённые со стеклянными трубками на стенде; - красные
– трубки, выведенные на стенд, соединённые с тонкопористыми керамическими
наконечниками, вставленными в субстрат, то есть – тензиометры;
- УГВ поддерживался на заданной глубине так же, как показано на рисунке
19.1).
Рисунок 19.20 Изобары сосущей силы почвы (см
вод.ст.) в лабораторной установке с насыпным грунтом во время полива
(при насыщении ~ 70 часов) и последующем иссушении в течение 530 часов,
(~ 22 суток).
Рисунок 19.21 То же, что и на рисунке 19.20, крупным планом в первые
80 часов. Здесь чётко видно, что во время полива, начатого при равновесном
состоянии влаги (УГВ на глубине 160 см) за ~ 70 часов УГВ поднялся
до поверхности почвы, т.е. почва полностью насытилась водой.
В лекции 7 мы схематично показали величину
движущих влагу сил в почвах и в растениях аридной (засушливой) зоны
без всякого обоснования и объяснения. Однако основанием для сказанного
в лекции 7 послужили, как анализ литературы, так и наши прямые наблюдения
в полевых условиях.
Наши попытки круглосуточного измерения давления
влаги в корнеобитаемом слое летом в условиях Каршинской степи (полупустыня)
с помощью тензиометров (рисунки 19.22 и 19.23) показали, что почва
в этом слое за ночь значительно восстанавливает влажность, а за день
её теряет, то есть, график изменения её давления не такой плавно меняющийся,
как на рисунке 7.7 в лекции 7, а больше похож на график изменения
давления в корнях, на том же рисунке.
Рисунок 19.22 Измерительный стенд с ртутными
вакуумметрами в полевых условиях на почвах с/х №11 Каршинской степи.
Рисунок 19.23 Результаты измерения сосущей
силы почвы (см вод. ст.) на хлопковом поле в совхозе № 11 Каршинской
степи (кривые линии на рисунке – изобары сосущей силы почвы).
Сопоставив сказанное в лекции 7 с картиной
изменения давления почвенной влаги, показанной на рисунках 19.4, 19.7,
19.8, 19.9, 19.10, 19.11, и 19.23 мы в общих чертах можем понять,
какие перепады (градиенты) давления формируются между воздухом и почвой
и между разными слоями почвы. Причём следует напомнить, что от сезона
к сезону и в течение суток эти перепады могут существенно меняться.
Теперь вспомним, что является ключевыми моментами
сохранения влаги в почве в естественных условиях. Это наличие дернового
слоя, как одеяло, защищающего почву от иссушения и являющегося одновременно
источником плодородия. Чтобы сохранить влагу, нужно или сохранить
дернину, или хотя бы создать на поверхности почвы что-то подобное
дернине.
В системе обработки почвы у Е.И.Овсинского [7], Э.Фолкнера [10] и
других, - это постоянное (после дождей и таяния снега) рыхление верхнего
5 см слоя без нарушения нижележащих слоёв и внесение органики в этот
слой почвы.
Этим обеспечивается:
• борьба с сорной растительностью,
• процессы нормального почвообразования,
• сохранение влаги в почве от избыточного испарения с одновременным
сохранением мощной капиллярно-сорбционой подпиткой корнеобитаемого
слоя по субстрату с ненарушенным строением,
• возможность дополнительного атмосферного увлажнения верхнего, самого
биологически активного и важного слоя почвы, лежащего под искусственной
дерниной.
То есть тонкий рыхлый верхний слой субстрата,
да ещё насыщенный органикой, может, в какой-то степени, заменяет естественную
дернину!
Операция по мелкому рыхлению поверхности почвы
практикуется в Центральной Азии давно и называется «закрытие влаги»,
однако применяется в основном на пропашных культурах и изредка перед
посевом озимых, в основном, на богаре.
С наступлением лета значительно усиливается
дневной приток тепла от солнца и влажность слоёв почвы, даже находящихся
под «одеялом», постепенно уменьшается, и если капиллярно-сорбционный
приток влаги снизу и конденсационный сверху не компенсируют затрат
влаги на испарение и транспирацию, возникает необходимость в поливах,
поскольку стоимость полива может быть намного меньше, чем потеря урожая.
Интересно сравнить, каков складывается режим
влаги в засушливой зоне при глубоких грунтовых водах на богарных землях
аридной зоны Таджикистана (как правило, на среднесуглинистых лёссовидных
субстратах и, конечно без «одеяла», при обычной пахоте с оборотом
пласта). На рисунке 19.24 показан режим влаги в относительных единицах
(МГ ~ 11,0 %, ПВ ~29,0 % от объёма). Чётко видно, что к концу сезона
осадков, (к началу мая) метровый слой почвы иссушен до уровня влажности
завядания (1,5 – 2,0 МГ), а это значит, что озимые зерновые могут
успеть дать нормальный урожай, а теплолюбивые культуры с длинным вегетационным
периодом, - вряд ли.
Рисунок 19.23 Режим влажности богары на почвах
Таджикистана с глубокими грунтовыми водами [11].
Если сравнить потребность ведущих сельскохозяйственных
культур с доступными для растений запасами влаги в почве, то можно
сделать далеко идущие выводы о том, что если научиться правильно использовать
(ежегодно возобновляемые!) запасы почвенной влаги, то можно резко
сократить потребность в орошении. Нам кажется, что именно поэтому
И.Е.Овсинскому удавалось получать средние урожаи сельскохозяйственных
культур в катастрофически засушливые (в вегетационный период) годы.
Во всяком случае, испытание его методики не было бы излишним и на
богарных посевах Узбекистана, и на орошаемых полях. Да и не только
в Узбекистане.
В таблице 19.5 мы попробовали сравнить доступные
естественные запасы влаги, находящейся в равновесном состоянии, (например
в ранневесенний период), с установленной потребностью. Эти запасы
в большинстве случаев (кроме остро маловодных лет) являются гарантированными,
если мы правильно их сможем использовать при соответствующей агротехнике.
Таблица 19.5. Потребность растений в воде и
доступные влагозапасы в метровом слое (ВЗ1) почвы при УГВ 1,5 – 2,0
м
Культуры
|
Потребность в воде, м3/га
|
ВЗ1, м3/га
|
% от потребности
|
Хлопчатник
|
4000 – 9000
|
2220 - 2510
|
25 – 50
|
Многолетние травы
|
9000 - 12000
|
2220 - 2510
|
20 – 25
|
Зерновые озимые
|
2500 - 3500
|
2220 - 2510
|
70 - 100
|
Овоще-бахчевые
|
5000 -10000
|
2220 - 2510
|
25 - 50
|
Картофель
|
4000 - 9000
|
2220 - 2510
|
25 -50
|
В следующей лекции мы рассмотрим приёмы, применявшиеся
для сохранения влаги в почве великими агрономами и современные возможности
использования этих приёмов сегодня.
Выводы.
Одним из основных механизмов снабжения верхних слоёв почвы влагой
является капиллярно-сорбционный перенос её, вызываемый расходом её
на испарение с поверхности почвы и транспирацией растениями.
Очень непростые альтернативы складывается для
корней растений при глубокой пахоте. Они должны:
- или успевать «догонять» влагу при быстром иссушении верхних горизонтов
(как это им удаётся и наблюдается в природе);
- или ждать, когда влага поднимется к ним (чаще всего, если не идут
дожди, - растения не дожидаются и погибают).
И тому и другому мешает глубокая пахота, которая разрушает капиллярные
свойства пахотного горизонта почвы, способствует быстрому просыханию
его и, заодно, создаёт плужную подошву ниже его, препятствующую и
росту корней вглубь, и подтяжке влаги вверх.
Литература
1. Зейлигер А.М., Морозов А.Н. Расчет основной
гидрофизической характеристики почв Каршинской степи по данным гранулометрического
анализа. Сборник научных трудов институтов САНИИРИ и "Средазгипроводхлопок"
: Прогрессивные технические решения и обоснования при проектировании
гидромелиоративных систем. Ташкент, 1987 г. с.60-68.
2. В.Н.Чубаров,1972
3. Изотермическое передвижение влаги в зоне аэрации. Перевод с англ,
Никольский Ю.Н., Залкинд Н.Л. под ред. академика Аверьянова С.Ф. Л.:
Гидрометеоиздат, 1972, 167 с.
4. Морозов А.Н., Калюжный В.И., Непомнящая Л.Г. Результаты изучения
параметров влагопереноса на мембранных прессах Ричардса. Сборник научных
трудов института "Средазгипроводхлопок", вып.6, "Вопросы
проектирования и эффективности работы мелиоративных систем Средней
Азии Ташкент,1975, с.111-115.
5. А.Якиревич Project: INTAS 2000 FOOD – 436 Annex 1. Results (CR
1, BGU, Israel)
6. http://prostoflora.ru/ekologiy/22.html
7. Н.И.Курдюмов. Мастерство плодородия. ИД ВЛАДИС. Ростов/Д. РИПОЛ
классик, М. 2008, 512 с. (Овсинский Е.И. с.23…122)
8. Р.Слейчера Водный режим растений. М., "Мир", 1970, 365
с.
9. Морозов А.Н. Некоторые результаты изучения состояния почвенной
влаги с помощью тензиометров. Сборник научных трудов института "Средазгипроводхлопок"
- Изыскания, исследования, расчеты для оптимизации проектов гидромелиоративных
комплексов. Ташкент, 1988 г. с.33-38.
10. Н.И.Курдюмов. Мастерство плодородия. ИД ВЛАДИС. Ростов/Д. РИПОЛ
классик, М. 2008, 512 с. (Э.Фолкнер с.123…175)
11. Кудашев, 1960
