Климатические и гидрологические факторы,

Воздействующие на почву

План

1. Тепловой режим и тепловые свойства почв.

2. Формы воды в почве.

3. Водные свойства почвы.

4. Водный баланс почвы.

5. Типы водного режима почвы.

6. Водная и ветровая эрозия.

 

Тепловой режим и тепловые свойства почв. Климат – один из важнейших факторов почвообразования. С этим фактором связано обеспечение почвы теплом и влагой. Именно климатические условия определяют основную закономерность географии почв – их горизонтальную зональность.Климат оказывает влияние на почвообразование как прямое, так и косвенное – через растительные и животные организмы.В результате непосредственного (прямого) влияния климата формируются тепловой и водный режим почвы.

Под тепловым режимом почвы понимают совокупность всех явлений поступления, передвижения и отдачи тепла почвой. Тепловой режим определяется температурой почвы на различных глубинах и в разные сроки. Лучистая энергия Солнца поступает к почвенной поверхности в течение года и суток с неодинаковой интенсивностью, поэтому различают годовой и суточный ход температуры почвы. В умеренных широтах годовой ход температуры почвы характеризуется минимумом в январе или феврале и максимумом в июне или июле. В течение года наибольшим колебаниям подвержена температура поверхности почвы. Годовые колебания температуры достигают в поверхностном слое черноземов 25-30°, а глубине 2 м они значительно меньше (до 10°).

У подзолистых почв годовая амплитуда колебаний температуры меньше – для поверхностного слоя 15-25°. Каждый почвенный тип отличается характерными пределами температуры на глубине 20 см, поэтому основным показателем теплового режима почвы считается ее средняя температура на этой глубине. Суточный ход температуры характеризуется одним максимумом (около 13 час.) и одним минимумом (перед восходом солнца). Наибольшая амплитуда колебаний температуры в течение суток характерна для поверхностного слоя почвы. В глубоких горизонтах колебания температуры уменьшаются, и в слое 40-50 см ход температуры в течение суток приближается к прямой.

Температурный режим почвы оказывает непосредственное влияние на развитие растений. Особенно сильно это сказывается на развитии корневой системы. Между температурными условиями почвы и произрастающими на ней растениями обнаруживается не только прямая, но и обратная связь: растительный покров оказывает существенное влияние на динамику температуры в почве. Растения и их остатки уменьшают суточные и сезонные колебания температур в верхнем слое почвы. Почвы, покрытые растительностью (озимыми, травами), промерзают меньше, чем вспаханные под зиму. Тепловой режим почв зависит от рельефа местности. Экспозиция склонов и их крутизна определяют разницу в количестве тепла, получаемого от солнечной радиации. Почвы на южных, юго-западных и юго-восточных склонах прогреваются лучше, чем на северных, северо-западных и северо-восточных склонах и выровненных пространствах. Огромное влияние на температурный режим оказывает снеговой покров. Снег препятствует глубокому промерзанию почвы, уменьшает потерю тепла из нее вследствие излучения.

Тепловой баланс почвы является количественной характеристикой теплового режима. Тепловой режим почвы обусловлен преимущественно соотношением поглощения радиационной (лучистой) энергии Солнца и теплового излучения почвы. Разность между солнечной радиацией, поглощенной почвой, и эффективным излучением называют радиационным балансом. Поступающее количество энергии (радиационный баланс – оставшаяся радиация после отражения) расходуется на испарение воды, нагревание почвы и отдачу теплоты в атмосферу. В среднем годовой тепловой баланс почвы равен 0.

В. Н. Димо выделила следующие типы теплового режима почв [11].

Мерзлотный тип характерен для территорий с отрицательной среднегодовой температурой почв. Сезонное замерзание распространяется до верхней границы многолетнемерзлых пород.

Длительно сезоннопромерзающий тип теплового режима характерен для территорий, где преобладает положительная среднегодовая температура почвенного профиля. Глубина промерзания менее 1 метра, но смыкания пород сезонного промерзания с многолетнемерзлыми породами не наблюдается. Длительность промерзания не менее 5 месяцев.

Сезоннопромерзающий тип теплового режима характерен для территорий с положительной среднегодовой температурой почвенного профиля. Длительность сезонного промерзания не более 5 месяцев. Подстилающие породы не мерзлые.

Непромерзающий тип теплового режима почв наблюдается на территориях, где промерзающие почвы отсутствуют (не происходит промерзание почвенного профиля ниже 20 см).

При постоянно теплом режиме температура самого холодного месяца во всей толще почвы не опускается ниже 10ºС (т. е. ниже уровня биологически активных температур), а при постоянно жарком типе теплового режима – суточные амплитуды температур превышают годовые амплитуды, а среднегодовая температура почв на глубине 20 см не опускается ниже 20ºС.

К основным тепловым свойствам почв относят: теплоотражательную способность, теплоемкость, теплопроводность, теплоиспускательную способность.

Отражательная способность почв – способность почв отражать определенную долю солнечной радиации. Характеризуется значением альбедо – отношением количества отраженной энергии к количеству поступающей в процентах. Альбедо зависит от таких свойств почв как окраска, количество и качественный состав органического вещества, гранулометрический состав, оструктуренность, состояние поверхности, влажность.

Свойство почв поглощать тепловую энергию называется теплоемкостью. Различают весовую (массовую) и объемную теплоемкость почвы. Весовая теплоемкость – количество тепла, затрачиваемое для нагревания 1 г почвы на 1ºС. Объемная теплоемкость – количество тепла, затрачиваемое для нагревания 1 см³ почвы на 1°С. Теплоемкость зависит от минералогического, механического состава и влажности почвы, а также содержания в ней органического вещества.

Теплопроводность почвы – способность ее проводить тепло. Теплопроводность измеряется количеством тепла в калориях, которое проходит в 1 сек. через 1 см² почвы слоем 1 см. На величину теплопроводности оказывает влияние механический состав почв [4]. Чем крупнее механические элементы почвы, тем выше теплопроводность. Теплопроводность твердой фазы примерно в 100 раз больше теплопроводности воздуха, поэтому рыхлая почва характеризуется более низким коэффициентом теплопроводности, чем плотная почва. Обратная зависимость обнаруживается между пористостью и теплопроводностью: при увеличении пористости теплопроводность уменьшается. Прямое влияние на теплопроводность оказывает степень увлажнения почвы. При одинаковой дисперсности и плотности более влажная почва характеризуется большей теплопроводностью, чем сухая. Теплопроводность почвы зависит и от ее температурного состояния. С повышением температуры почвы увеличивается теплопроводность воздуха, защемленного между твердыми частичками, и, следовательно, почвы в целом.

Теплоиспускательная способность почвы – это способность ее выделять тепловые лучи. Теплоиспускательная способность зависит от состава почвы, степени ее увлажнения, состояния поверхности. Благодаря большей теплопроводности минеральные почвы лучше излучают тепло, чем торфянистые. Влажные почвы вследствие большой теплоиспускательной способности воды выделяют значительно больше тепловых лучей, чем сухие. Почвы с гладкой поверхностью отличаются меньшей теплоиспускательной способностью по сравнению с шероховатыми.

Формы воды в почве. Одним из основных условий химических, физико-химических и биологических процессов, совершающихся в почве, является наличие воды. Основным источником почвенной влаги служат атмосферные осадки. Атмосферные осадки испаряются, стекают в виде поверхностного стока, просачиваются вглубь и входят в состав грунтовых и подземных вод. Все эти формы воды имеют существенное значение для почвообразования. Атмосферное увлажнение почв зависит от количества выпадающих осадков, величины испаряемости, распределения осадков в течение года и формы осадков.

Вода благодаря своему химическому составу и свойствам способна взаимодействовать с почвенными частицами. Поступающая в почву влага подвержена влиянию сил различной природы, под действием которых она может либо передвигаться в разных направлениях, либо задерживаться. Почвенная влага очень неоднородна. Она удерживается с различной силой, характеризуется разной подвижностью, обладает неодинаковыми свойствами. В связи с этим в почве выделяют разные формы воды: твердая влага (лед), химически связанная, парообразная, сорбционно связанная, свободная вода.

Химически связанная (кристаллизационная) вода в почве входит в состав почвенных минералов, занимая определенное место в их кристаллической структуре. Она не принимает непосредственного участия в процессах почвообразования.

Парообразная вода получается за счет испарения поверхностной или почвенной влаги.

Сорбционно связанная (молекулярная) почвенная вода образуется вследствие действия поверхностных сил твердой фазы почвы на молекулы воды (парообразной или жидкой). Связыванию молекул воды способствует их дипольный характер. Различают две формы сорбированной воды. Прочносвязанная (гигроскопическая) вода представляет собой сорбированные молекулы водяного пара. Чем дисперснее почва, чем больше содержится в ней тонких частиц, тем больше будет суммарная поверхность частиц и, следовательно, тем больше будет сорбированной воды. В зависимости от концентрации молекул водяного пара в воздухе (упругости пара) вокруг твердой частицы может образовываться несколько слоев дипольных молекул водяного пара. Поверхностные силы, притягивающие молекулы водяного пара, весьма велики. Поэтому пленка сорбированной воды сильно уплотнена, не содержит растворенных веществ и не способна проводить электрический ток. Сорбировав максимально возможное количество молекул водяного пара из воздуха, поверхностные силы твердой фазы почвы оказываются в состоянии притянуть еще некоторое количество жидкой воды. Притянутая вода, образующая внешнюю пленку сорбционно связанной воды, получила название рыхлосвязанной (пленочной). Пленочная вода связана менее прочно, чем гигроскопическая, и может передвигаться от почвенных частиц с относительно толстой пленкой к частицам с более тонкой пленкой.

Свободная вода почвы подчиняется действию физико-механических законов. Она включает капиллярную воду и гравитационную. Капиллярная вода передвигается в тонких порах почвы под действием капиллярных сил. При поверхностном увлажнении почвы образуется капиллярно-подвешенная и пленочно-подвешенная вода, которая может передвигаться в направлении к испаряющей поверхности. Капиллярно-подпертая вода образуется при подъеме ее снизу вверх по капиллярам от зеркала грунтовых вод или верховодки. Свободная почвенная вода, не удерживаемая капиллярами и перемещающаяся вниз под действием силы тяжести, называется гравитационной. Различают гравитационную воду, просачивающуюся (фильтрующуюся) сверху вниз через почвенно-грунтовую толщу, и гравитационную воду, накапливающуюся над водонепроницаемым горизонтом в виде грунтовой воды.

Водные свойства почвы. Важнейшими водными свойствами почв являются влагоемкость, водопроницаемость и водоподъемная способность.

Влагоемкость – способность почвы удерживать влагу, поступающую извне. В зависимости от сил, удерживающих влагу в почвах, различают капиллярную, наименьшую (полевую) и полную влагоемкости. Капиллярная влагоемкость – состояние насыщения водой всех капилляров почвы. Наименьшая влагоемкость – количество воды, удерживаемое почвой при промачивании сверху при условии глубокого расположения грунтовых вод. Это максимальное количество воды, фактически удерживаемое почвой в природных условиях в состоянии равновесия, когда устранено испарение и дополнительный приток воды. Величина наименьшей влагоемкости зависит от механического, минералогического и химического состава почвы, ее плотности и скважности. Когда в почве все поры заполнены водой, наступает состояние увлажнения, называемое полной влагоемкостью или водовместимостью. Полная влагоемкость – наибольшее количество влаги, которое может содержаться в почве при условии заполнения всех пор.

Водопроницаемость – способность почвы воспринимать воду и передвигать ее вниз под влиянием силы тяжести. Различают две стадии водопроницаемости: впитывание и фильтрацию. Когда поры почвы лишь частично заполнены водой, тогда при поступлении воды наблюдается ее впитывание в почву. Когда почвенные поры полностью насыщены водой, происходит фильтрация воды, то есть движение в условиях сплошного потока жидкости. Фильтрация может проявляться лишь при выпадении большого количества осадков, при бурном снеготаянии или при обильном орошении. Водопроницаемость почвы измеряется объемом воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения в единицу времени. Водопроницаемость заметно изменяется на почвах разного механического состава: в тяжелых по механическому составу почвогрунтах (с мелкими порами) водопроницаемость при прочих равных условиях меньше, чем в легких – песках (большие поры) [4].

Водоподъемная способность – способность почвы вызывать капиллярный подъем влаги. Водоподъемная способность зависит от агрегатности, механического состава и сложения почвы, определяющих пористость почв. Чем тоньше поры почв, тем выше поднимается в них вода. Капилляры или поры меньше в глинистых почвах, они обладают большей водоподъемной способностью.

Водный баланс почвы. Основным источником почвенной воды, как уже известно, являются атмосферные осадки. Некоторое количество воды поступает в почву в результате конденсации пара из воздуха. Третьим источником почвенных вод могут быть грунтовые воды при наличии капиллярной связи их с почвой. Расход воды обусловливается следующими процессами. Часть воды, поступающей на поверхность почвы, стекает в виде поверхностного стока. Наибольшее количество поступившей в почву влаги поглощается растениями (отсос почвенной воды корнями растений называется десукцией). Некоторое ее количество расходуется на физическое испарение. Кроме того, почвенная вода может расходоваться в виде внутрипочвенного стока. Это явление обусловлено различной водопроницаемостью отдельных горизонтов почвенного профиля. В результате сезонного увлажнения по наиболее проницаемому горизонту начинает перемещаться гравитационная вода, водоупором для которой является менее проницаемый горизонт. Сезонно существующие воды получили название верховодок. Наконец, значительная часть почвенной воды может достигать поверхности грунтовых вод и удаляться в составе грунтового стока.

Таким образом, водный баланс почвы в общей форме может быть выражен следующим уравнением [7]:

О + К + ГП = Д + И + ПС + ВПС + ГС ± b,

где О – сумма осадков, К – конденсационная вода, ГП – поступление из грунтовых вод, Д – десукция, И – испарение, ПС – поверхностный сток, ВПС – внутрипочвенный сток, ГС – грунтовый сток, b – коэффициент, характеризующий запас воды в почве.

Типы водного режима почвы. Теория типов водного режима почвы была заложена известным русским почвоведом Г. Н. Высоцким, дополнена и развита рядом исследователей, в первую очередь А. А. Роде. Выделяются следующие основные типы водного режима [8].

Промывной тип водного режима. В условиях этого типа режима имеет место ежегодное промачивание всей почвенно-грунтовой толщи до грунтовых вод. При этом в грунтовые воды уходит большее количество почвенных вод, чем поступает из грунтовых вод в почву. Уравнение водного баланса для этого типа режима будет иметь следующий вид: О > Д + ПС + ВПС. Подобный тип водного режима почвы типичен для гумидных ландшафтов умеренного и тропического климата, где сумма осадков больше испарения.

Периодически промывной тип водного режима – близок к промывному, но промачивание всей почвенно-грунтовой толщи до грунтовых вод происходит в отдельные сезоны года, когда выпадает максимальное количество осадков.

Непромывной тип водного режима. Для этого типа режима характерно отсутствие сплошного промачивания почвенно-грунтовой толщи. Почвенная вода при этом режиме представлена преимущественно формой подвешенной капиллярной воды, грунтовые воды залегают глубоко. Уравнение баланса этого типа водного режима почвы будет иметь вид: О = Д + И + ПС + ВПС. Непромывной режим почвенных вод типичен для степных и полупустынных ландшафтов, где сумма осадков приблизительно равна или меньше испарения.

Выпотной тип водного режима. Особенность этого типа водного режима – важная роль поступающих в почву грунтовых вод. Сумма десукции и испарения превышает количество атмосферных осадков: О < Д + И. Водный режим выпотного типа характерен для пустынных почв, формирующихся в условиях близкого расположения грунтовых вод и резкого преобладания испаряемости над осадками.

Застойный тип водного режима также формируется под влиянием высокого положения уровня грунтовых вод. Количество атмосферных осадков превышает сумму десукции и испарения: О > Д + И. В результате происходит заболачивание почвы. Застойный тип водного режима типичен для почв депрессий рельефа в условиях гумидного климата.

Мерзлотный (криогенный) тип водного режима характерен для территории сплошного распространения многолетней мерзлоты. Специфику этого типа режима создает близко залегающий постоянно мерзлый водоупорный горизонт. Вследствие этого, несмотря на небольшое количество осадков, в теплое время года почва пересыщена водой.

Водная и ветровая эрозия. При нарушении естественного растительного покрова под воздействием ветра и атмосферных осадков может происходить разрушение верхних горизонтов почвы. При этом почва теряет мелкие частицы и определенным образом изменяет химический состав. Это явление получило название эрозии почвы. Различают ветровую и водную эрозию. Ветровая эрозия – развевание почвенного покрова. Происходит в основном на территориях с недостаточным атмосферным увлажнением (аридные и полуаридные ландшафты), где в результате уничтожения растительности в ходе хозяйственной деятельности человека почва подвергается распылению, выдуванию. Это приводит к опустыниванию ландшафтов.

Водная эрозия – разрушение почвенного покрова под действием текучих вод. Атмосферные осадки сопровождаются плоскостным смывом мелких частиц с поверхности почвы, а при ливневом характере дождей – сильным разрушением всей почвенной толщи с образованием промоин и оврагов. Растительность, особенно лесная, задерживает сток атмосферных осадков. Особо важную роль играет лесная подстилка, которая полностью нейтрализует ударную силу дождевых капель и резко снижает скорость текучей воды. Сведение лесов и уничтожение лесной подстилки вызывает усиление поверхностного стока за счет сокращения внутрипочвенного стока и питания грунтовых вод. Усиленный поверхностный сток влечет за собой энергичный смыв верхней части почв, наиболее богатой гумусом и элементами питания, способствует энергичному образованию оврагов. Благоприятные условия для водной эрозии создает распашка обширных степных территорий и низкая культура земледелия.

К противоэрозионным мероприятиям относятся грамотная организация территории с сохранением на крутых склонах лесных насаждений, правильная вспашка (с направлением борозд поперек склонов), регулирование выпаса скота, укрепление прочности почвенной структуры посредством рациональной агротехники. Наиболее эффективными мероприятиями для борьбы с последствиями эрозии являются создание полезащитных лесных полос, устройство различных инженерных сооружений для задержания поверхностного стока – плотин, запруд в оврагах, водозадерживающих валов и канав [3].

 

Контрольные вопросы

1. Перечислите тепловые и водные свойства почв.

2. Объясните, какие существуют формы воды в почве.

3. Перечислите типы водного режима почв, их особенности.

4. Раскройте суть понятия «эрозия почвы».