Процессы минерализации и гумификации органич в-ва

Влияние природных условий на характер и скорость гумусообразования. Многообразие природно-климатических условий предопределяет различия в гумусообразовании. Характер и скорость гумусообразования зависят от целого ряда факторов, важнейшими из которых являются: водно-воздушный и тепловой режимы, гранулометрический состав, физико-химические свойства почвы, состав и характер поступления растительных остатков, видовой состав микрофлоры и ее активнось.

В зависимости от водно-воздушного режима гумусообразования протекает в аэробных или анаэробных условиях. При влажности почвы 60-80% от полной влагоемкости и температуре 25-300С разложение растительных остатков протекает весьма интенсивно. Промежуточные продукты разложения органического вещества быстро минерализуются, высвобождается значительное количество элементов минерального питания, но гумуса накапливается мало. То есть в таких условиях процессы минерализации доминируют на процессами гумификации.

При постоянном и значительном недостатке влаги количество растительного опада невелико, процессы трансформации замедлены. Это приводит к накоплению гумуса в небольших количествах.

При постоянном избытке влаги (анаэробные условия) процессы гумусообразования замедляются, особенно если избыток влаги сочетается с низкими температурами. В разложении растительных остатков участвуют анаэробные бактерии. Промежуточные продукты разложения содержат многонизкомолекулярных органических кислот и восстановленных газообразных продуктов. Эти соединения подавляют микробиологическую активность, в результате чего разложение растительных остатков замедляется, происходит скопление полуразложившихся остатков, частично сохранивших анатомическое строение, - торфа.

Наибольшее количесво гумуса в почвах накапливается при сочетании оптимального гидротермического режима с периодически повторяющемся, не очень сильным иссушением. Такие условия создаются при формировании черноземов.

На гумусообразование значительное влияние оказывает состав растительных остатков и характер их поступления в почву. Так, остатки травянистой растительности богаты белками, углеводами и зольными элементами. Основная часть их попадает непосредственно в почву в виде корней, их разложение происходит при тесном контакте с почвенными частицами в присутствии значительного количества оснований, прежде всего кальция.

Основная группа микроорганизмов – бактерии. В таких условиях образуется высококачественный мулевый («мягкий») гумус, равномерно пропитывающий минеральную часть почвы. Мулевый гумус также образуется под лиственными лесами, хотя растительный опад в этом случае попадает на поверхность почвы.

Остатки древесной растительности бедны белками, содержат мало зольных элементов, но обогащены лигнином, восками, смолами, дубильными веществами.

Поступают они преимущественно на поверхность почвы и разложение их осуществляется грибной микрофлорой. При разложении такого опада образуется значительное количество легко передвигающихся с током воды вниз по профилю органических кислот. Нейтрализации их не происходит из-за недостатка снований, процессы гумификации подавлены кислой реакцией. В таких условиях формируется модер («грубый») гумус, в составе которого преобладают фульвокислоты. Таким образом, в почвах накапливается различное количество гумуса (от 0,5–1 до 10-12% и более), существенно различающегося по качеству. Качество гумуса определяют по соотношению гуминовых и фульвокислот в его составе (Сгк: Сфк). Различают следующие типы гумуса: гуматный (более 1,5), фульфатногуматный (1-1,5), гуматно-фульватный (1-0,5) и фульватный (менее 0,5).

Значительное влияние на гумусообразование оказывают гранулометрический состав и физико-химические свойства почвы. Песчаные и супесчаные почвы имеют хорошую аэрацию, быстро прогреваются. В этих почвах органические остатки интенсивно разлагаются, образовавшиеся гумусовые вещества плохо закрепляются на поверхности песчаныхчастиц и быстро минерализуются.

В глинистых и суглинистых почвах процесс разложения растительных остатков происходит значительно медленнее, гумусовых веществ образуется больше и они хорошо закрепляются на поверхности минеральных частиц.

Гумусонакопление зависит не только от количества образовавшегося гумуса, но и от условий его закрепления в почве. Большую роль в этом играет кальций так как для почв, насыщенных кальцием, характерна нейтральная реакция среды, благоприятная для развития бактерий. В этих почвах образуется много нерастворимых гуматов кальция. Наряду в этим Закреплению гумуса способствует наличие в почвах глинистых минералов.

Роль гумусовых веществ в жизни растений, почвообразовании и плодородии почв. С гумусовыми веществами почв тесно связана жизнь растений. Органические вещества почвы частично обеспечивают потребности растений в углекислом газе, который необходим для фотосинтеза.

Гумус содержит большие запасы питательных веществ. Например, азот представлен в верхних слоях почвы в основном органическими формами.

Гумус содержит биологические активные вещества, которые стимулируют физиологические и биохимические процессы в растениях. На высокогумусных почвах вырастают растения с повышенным содержанием хлорофилла. Вытяжки солей гуминовых кислот (гумат натрия) являются стимуляторами роста растений.Их применяют в качестве растворов для опрыскивания, замачивания семян, полива растений. Вытяжки фульвокислот и их солей способствуют интенсификации поступления в растения элементов минерального питания.

В последние годы из торфа и угля при обогащении аммиаком и суперфосфатом получают гумусовые удобрения, которые применяют в малых дозах.

В гумусе содержатся и сохраняются на продолжительный срок основные элементы минерального питания и микроэлементы. В процессе минерализации гумуса они переходят в доступную для растений форму.

Огромное значение имеет гумус как фактор поглотительной способности почвы. Чем больше в почве гумусовых веществ, тем выше ее емкость поглощения. В такой почве хорошо закрепляются катионы. Так, в богатых гумусом тяжело-суглинистых черноземах емкость поглощения достигает 50-60 м-экв/100г почвы, а в бедных гумусом песчаных дерново-подзолистых почвах – всего 1-2 м-экв/100г. Величина емкости поглощения в значительной степени характеризует уровень плодородия почвы.

Органические вещества улучшают физические, химические и биологические свойства почвы, способствуют формированию агрономически ценной водопрочной структуры.

Если почва богата кальцием, все гуминовые кислоты переходят в нерастворимую форму. Образовавшиеся гуматы кальция участвуют в создании водопрочной зернистой и мелкокомковатой почвенной структуры.

Гумусовые вещества придают почве темную окраску, что способствует ин- тенсивному поглощению солнечной энергии. Органическое вещество предохра-няет почву от быстрой потери тепла, при разложении само выделяет энергию. Следовательно, богатые гумусом почвы имеют более благоприятный тепловой режим. Их называют теплыми почвами. И наоборот, почвы, бедные органическим веществом и гумусом, отличаются неблагоприятными тепловыми свойствами, слабо поглощают тепло и плохо его удерживают. Они получили название холодных.

Гумусовые вещества почвы играют важнейшую роль в формировании поч- венного профиля. В богатых гуминовыми кислотами и их солями почвах форми- руется хорошо выраженный гумусовый горизонт большой мощности с высокой поглотительной способностью.

Если в составе гумусовых веществ преобладают фульвокислоты, то в почве формируется небольшой мощности гумусовый горизонт, который легко обедняет- ся основаниями и элементами минерального питания. Глубже этого горизонта может формироваться горизонт белесого цвета, где идет активное разрушение минеральной части почвы. Кроме того, органические вещества и продукты их разложения могут перераспределятся в почвенном профиле, активно влияя на его

формирование.

 

Физические с-ва почв

Многие процессы, происходящие в почвах, во многом определяются физическими и физико–механическими свойствами. Физические свойства почв делятся на общие физические и физико-механические.

К общим физическим относятся удельная поверхность, удельный вес, объемный вес (плотность) и пористость (скважность).

К физико-механическим относятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке.

Процессы, протекающие в почвах, во многом зависят от удельной поверхности почв, которая является важной физической характеристикой почвы. Удельная поверхность почвы – это суммарная поверхность всех частиц почвы, отнесенная к единице веса или объема. Выражается чаще всего в м²/г или м²/см³ почвы.

Процесс диспергирования (дробления) минеральной части почвы обычно не меняет ее веса, но резко увеличивает суммарную поверхность всех частиц. При этом почва переходит в более активное состояние, так как с увеличением поверхности твердой фазы в единице веса или объема, возрастает и поверхностная энергия частиц.

С величиной удельной поверхности связаны величины объемов поглощения минеральных веществ, зольных элементов, паров, газов, особенности передвижения в почве воды и воздуха, а также другие физические и технологические свойства почвы.

Удельная поверхность почвы зависит от минералогического и гранулометрического состава. Почвы легкого гранулометрического состава характеризуются меньшей дисперсностью и, соответственно, меньшей удельной поверхностью по сравнению с почвами тяжелого гранулометрического состава.

Выделяют общую, внешнюю и внутреннюю удельные поверхности частиц.

Внешняя (кинетическая) поверхность определяется дисперсностью твердых частиц почвы.

Внутренняя поверхность обусловлена особенностями строения самих частиц, наличием микропор и трещин внутри частицы. Поверхность почвенных частиц имеет свой сложный микрорельеф, отдельные участки которого энергетически неравноценны. Особой энергетической активностью характеризуются выпуклые элементы частиц. Значительную внутреннюю поверхность имеют почвы, богатые монтмориллонитом и другими минералами, имеющими подвижную структуру.

Общая поверхность представляет собой сумму внешней и внутренней удельных поверхностей. Ее величина колеблется в значительных пределах: от нескольких единиц м² на 1 г или 1 см³ почвы (в грубых песках) до нескольких сотен (тяжелые глины, почвы со значительным количеством органогенных веществ).

Удельная поверхность частиц разного размера может различаться на 6 порядков (табл.).

 

Таблица. Удельная поверхность частиц, м²/г

Размер частиц, мм
0,00001- 0,00005	0,00005- 0,0001	0,0001- 0,0005	0,00001- 0,00005	0,0005- 0,001	0,001- 0,01	0,01- 0,05	0,05- 0,25	0,25-1,00
	4,4	0,76	0,46	0,111	0,031	0,015	1,5^.10^-3	1,8^.10^-4

 

Обычно удельную поверхность почвы определяют насыщением почвы водяным паром (этиленгликолем). Выявлено, что насыщение почвы водяным паром идет до тех пор, пока вокруг каждой почвенной частицы образуется мономолекулярный слой воды. Исходя из этой закономерности, выведена эмпирическая формула расчета удельной поверхности

S=3610 (V₂-V₁)/(V₁-V₀),

где V₂, V₁, V₀ – вес после насыщения, до насыщения и тары соответственно.

Плотность сложения почвы – массаабсолютно сухой почвы ненарушенного сложения (т.е. с почвенными порами) в единице объема. Выражается в г/см³. Она зависит от структурности и сложения почвы, а также характера слагающих почву минералов, ее гранулометрического состава и содержания органического вещества.

Величина плотности сложения почвы изменяется в широких пределах: для минеральных почв от 0,9 до 1,8 г/см³, для торфяно-болотных - от 0,15 до 0,40 г/см³.

Чем больше в почве перегноя и чем лучше выражена в ней структура, тем меньше плотность сложения почвы.

На плотность сложения почвы существенное значение оказывает ее обработка. После механической обработки почва становится наиболее рыхлой с меньшей плотностью сложения почвы. Этот период времени бывает достаточно коротким, потом начинается ее уплотнение, что приводит к увеличению плотности сложения почвы. После определенного периода времени, разного для разных типов почв, почва достигает определенной степени плотности, которая затем изменяется крайне мало. Такая плотность называется равновесной и ее величина является важной характеристикой почв. Величина плотности сложения почвы существенно влияет на водный, воздушный и тепловой режим почвы, что сказывается на развитии растений.

К значимым физическим свойствам почв относится плотность твердой фазы почвы. Плотность твердой фазы почвы. – это масса абсолютно сухих почвенных частиц при сплошном заполнении ими единицы объема,. г/см³. Почвы различных типов и их отдельные горизонты характеризуются неодинаковой плотностью твердой фазы, которая, зависит от содержания в ней органических веществ и состава слагающих ее минералов. Интервалы показателей плотности твердой фазы почвы составляют для минеральных почв – от 2,4 до 2,8 г/см³. Для подзолистых почв он составляет 2,5-2,65, черноземных – 2,37 и торфяных- от 1,4 до 1,8 г/см³

Пористость –это суммарный объем всех пор и промежутков между частицами твердой фазы почвы определенного объема. Выражается в % от общего объема почвы. Интервал показателей пористости составляет для минеральных почв – 25-80%, для торфяных – 80-90%. При рыхлении почвы пористость увеличивается, при уплотнении уменьшается.

Почвенные поры могут быть различной формы и диаметра. В зависимости от величины пор различают капиллярную и некапиллярную пористость.

Капиллярная пористость равна объему капиллярных промежутков в почвах и обусловлена наличием в почве глинистых минералов.

Некапиллярная пористость равна объему крупных пор и связана со структурным строением почвы.

где отношение плотности сложения почвы (объемного веса) (ОВ) к плотности твердой фазы почвы (удельному весу) (УВ) составляет доля твердой фазы почвы, а за единицу принимается общий объем почвы со всеми порами. Величина пористости зависит от структурности, плотности, гранулометрического и минералогического состава почвы.

С пористостью почвы связаны важнейшие свойства почвы: водо- и воздухопроницаемость, влагоемкость и воздухоемкость, газообмен между почвой и атмосферой.

Выделяют внешнюю поверхность, или как ее еще называют кинетическую поверхность дисперсного вещества и внутреннюю поверхность внутри элементарных почвенных частиц, микропор, трещин и т.п.

Под пластичностью понимают способность почвы во влажном состоянии изменять и сохранять приданную ей внешним воздействием форму. В зависимости от степени увлажнения характер пластичности меняется. Следует различать несколько характерных состояний почвы: нижний предел текучести и предел раскатывания в шнур.

Нижний предел текучести – это такое увлажнение почвы, при котором пласт почвы, разрезанный пополам, при повторном встряхивании сливается воедино. Это состояние влажности принимается за верхний предел пластичности.

Влажность почвы, при которой она перестает раскатываться в шнур, определяет предел раскатывания в шнур. Такое увлажнение принимается за нижний предел пластичности.

Число пластичности - это разность между верхним и нижним пределами пластичности. Пластичность тесно связана с гранулометрическим составом почв и обусловлена наличием в ней глинистых частиц, диаметр которых меньше 0,002 мм.

Глинистые почвы имеют число пластичности – 17, суглинистые – 7-17, супесь – менее 7, пески совершенно не пластичны. Кроме механического состава, существенное влияние на пластичность почвы оказывает состав коллоидной фракции, состав поглощенных катионов, а также содержание гумуса.

Липкость – это способность почвы прилипать к различным поверхностям.

Величина липкости определяется силой, необходимой, чтобы оторвать почву от поверхности прилипания. Выражается в г/см².

Как и пластичность, она обусловлена наличием в почве глинистых частиц и воды, а также составом поглощенных оснований. У глинистых почв липкость значительная, у песка минимальная.

Липкость проявляется при увлажнении почвы, приближающейся к верхнему пределу пластичности. Сухая почва липкостью не обладает. Прилипание повышается по мере увлажнения примерно до 80% от полного насыщения почвы водой, затем начинает уменьшаться.

По липкости почвы делятся на предельно вязкие (> 15 г/см²), сильно вязкие (5 - 15 г/см²), средне вязкие (2 - 5 г/см²), слабо вязкие (меньше 2 г/см²).

С липкостью почвы связано важное агрономическое свойство почвы – физическаяспелость. Когда при обработке почва перестает прилипать к сельскохозяйственным машинам и начинает крошиться на комки, то такое состояние почвы отвечает ее физической спелости.

? Нижним пределом влажности, при котором возможна обработка почвы, является влажность, отвечающая полуторной величине максимальной гигроскопичности почвы, а верхним пределом – 60-70% полной влагоемкости данной почвы.

Набухание – это способность почвы изменять в объеме под влиянием различных факторов, главным образом увлажнения и замерзания. Большое значение в этом процессе играют почвенные коллоиды, особенно органические, способные резко увеличиваться в объеме при смачивании и уменьшаться при высыхании. Вследствие этого песчаные почвы с низким содержанием коллоидов практически не набухают, глинистые и суглинистые обладают значительной набухаемостью.

Набухание измеряется в объемных процентах по формуле:

На величину изменения объема влияет минералогический состав почв, наличие и состав обменных катионов, количество органических веществ.

Усадка – это сокращение объема почвы при высыхании. Величина усадки зависит от тех же факторов, что и набухание. Усадка измеряется в объемных процентах по отношению к исходному объему:

где V_ус – процент усадки от исходного объема, V₁ –объем влажной почвы, V₂ – объем сухой почвы.

Связность – это способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить частицы почвы. Связность вызывается силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления обусловлена гранулометрическим и минералогическим составом, структурным состоянием и влажностью почвы, а также характером ее сельскохозяйственного использования.

Твердость – это сопротивление, которое оказывает почва при проникновении в нее какого-либо тела. Величина твердости выражается в кг/см². Твердость определяется прибором – твердомером. Твердость почвы зависит от ее увлажнения, структурности, составом поглощенных оснований, гумусированности и гранулометрического состава. По мере уменьшения влажности твердость почвы резко возрастает. Почва комковато-зернистой структуры при высыхании оказывает значительно меньшее механическое сопротивление, чем распыленная. Хорошо гумусированные почвы, насыщенные двухвалентными катионами, обладают меньшей твердостью, чем малогумусированные.

Высокая твердость является признаком плохих физико-химических и агрономических свойств почв и требует больших затрат на ее сельскохозяйственную обработку. С твердостью почвы связана такая важная технологическая характеристика, как сопротивление ее обработке. Она выражается удельным сопротивлением. Удельное сопротивление – это усилие, затрачиваемое на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Выражается в кг на 1 см². Этот показатель изменяется от 0,2 до 1,2 кг/см² в зависимости от механического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохозяйственного состояния почв.

Водные св-ва почв

Водные свойства и водный режим почв. Вода может находить­ся в почве в разных состояниях и в зависимости от этого имеет неодинаковое значение для питания растений. Различают следующие главные формы воды в почве.

Гравитационная вода занимает в почве крупные поры (некапиллярные), передвигается сверху вниз под собственно тяжестью. Это самая доступная для растений вода. Однако если она заполняет все поры, то наступает переувлажнение почвы. На песчаных почвах гравитационная вода легко уходит вглубь, в зону, недоступную для корней.

Капиллярная вода занимает капилляры почвы. По ним она продвигается от более влажного слоя к более сухому. По ме­ре испарения воды с поверхности почвы такой восходящий ток ее может иссушить почвы. Капиллярная вода вполне доступна растениям.

Гигроскопическая вода находится в почве в виде мо­лекул в поглощенном состоянии, удерживается поверхностью поч­венных частиц, почти недоступна растениям, передвигается между частицами почвы в форме пара.

Названные формы воды не являются постоянными. Вода может из одной категории переходить в другую. При переувлажнении почвы все промежутки между ее частицами заняты водой. При подсыхании почвы расходуется в первую очередь свободная (не­капиллярная) вода, а затем капиллярная. Если запасы капиллярной и некапиллярной воды исчерпаны, то растения уже почти не могут получать ее из почвы через корневую систему, так как в почве остается только вода, малодоступная растениям. Степень увлажнения почвы, при которой растения начинают завядать, от недостатка влаги, называется влажностью завядания (ВЗ). Влажность завядания равна обычно полуторной максимальной гигроскопичности; на песчаных почвах она ниже 1% на супесчаных 1-3, на суглинистых 4-10, а на глинистых 15 % и выше.

Количество воды, которую почва прочно удерживает, а растения не могут использовать, составляет мертвый запас воды.

В глинистых почвах, водоудерживающая способность которых очень велика, мертвый запас влаги составляет 10-15% массы почвы, а в песчаных почвах - меньше 1 %. Это значит, что при одинаковой влажности (допустим, 20%) глинистая и песчаная почвы имеют разное количество доступной растениям воды: глинистая 5-10%, песчаная 19%.

Воду, которая содержится в почве сверхвлажности завядания (некоторые считают сверх мертвого запаса), т.е. больше двойной максимальной гигроскопичности, называют продуктивной (или доступной) влагой. Процент продуктивной влаги в почве равен приблизительно влажности почвы, выраженной в процентах, за вычетом двойной максимальной гигроскопичности.

Однако более точно количество продуктивной влаги исчислять в весовых единицах Каждый миллиметр осадков соответствует 10 т воды на 1 га.

Запас продуктивной влаги (W) вычисляют с учетом мощности и плотности каждого слоя почвы по формуле:

W = 0,1 • П • h (B - BЗ),

где 0,1—коэффициент перевода в миллиметры водяного слоя; /7 —плотность почвы (в r на 1 см куб); h — мощность слоя почвы, для которого рассчитывается запас влаги (в см); В— влажность почвы и ВЗ— влажность завядания (в % от абсолютно сухой почвы).

Почва способна впитывать и удерживать воду, а затем отдавать ее растениям. Для получения высокого урожая необходимо, чтобы в почве всегда содержалось нужное растениям количество воды. Зерновые культуры расходуют на создание урожая 2—3 тыс. т воды на 1 га, а другие растения и больше.

В почву вода попадает прежде всего с осадками, а также из атмосферы в виде водяных паров. Наибольшее количество воды, которое может удержать (вместить) почва при заполнении всех пор, называется общей, или полной, влагоемкостью (ПВ), Она зависит от механического состава почвы, содержания в ней перегноя и от общей пористости. Например, глинистые почвы отличаются высокой влагоемкостью (60-80 г воды на 100 г почвы), а песчаные - низкой (15-25 г). Особенно велика она в торфяных почвах. При полном насыщении торфа масса ее в несколько раз превышает массу воздушно-сухого торфа. Наиболее благоприятный для растений водный режим создается в минеральных почвах при насыщении их водой на 60-80% полной влагоемкости.

Способность почвы пропускать через себя воду носит название водопроницаемости. При плохой водопроницаемости вода осадков стекает по поверхности почвы. В то же время при очень высокой водопроницаемости, какой, например, обладают песчаные почвы, осадки очень быстро проникают через почву и не используются растениями. Наиболее благоприятны условия для водопроницаемости в структурных почвах.

Водный режим почвы зависит прежде всего от количества выпадающих атмосферных осадков и от величины расхода влаги на испарение и транспирацию. Соотношение этих величин и определяет тип водного режима почвы. Он может быть промывным (отношение осадков к испарению больше единицы), переходным (это отношение около единицы) и непромывным (осадков меньше, чем величина испарения). Промывной тип преобладает в лесолуговой зоне, непромывной – в степной и пустынной зоне, а переходный — в лесостепи. При близком расположении грунтовых вод возникает еще выпотной тип водного режима, а при высоком уровне грунтовых вод — застойный тип, который не считается самостоятельным типом, а разновидностью промывного.

Формы почвенной влаги

Вода в почвах неоднородна. Разные ее порции имеют разные физические свойства (термодинамический потенциал. теплоемкость, плотность, вязкость,

удельный объем, химический состав, подвижность молекул, осмотическое давление и т. д.), обусловленные характером взаимного расположения и взаимодействия молекул воды между собой и с другими фазами почвы — твердой, газовой, жидкой. Порции почвенной воды, обладающие

одинаковыми свойствами,получили название категорий или форм почвенной воды.

В истории почвоведения было предложено много классификаций категорий воды, содержащейся в почве. Наиболее современной и полной является классификация, разработанная А. А. Роде (1965), которая приводится ниже. Согласно этой классификации в почвах можно различать следующие пять категорий (форм) почвенной воды.

Твердая вода — лед. Твердая вода в почве — это лед, являющийся потенциальным источником жидкой и парообразной воды, в которую он переходит в результате таяния и испарения. Появление воды в форме льда может иметь сезонный (сезонное промерзание почвы) или многолетний («вечная» мерзлота) характер. Поскольку почвенная вода — это всегда раствор, температура замерзания воды в почве ниже 0°С.

Химически связанная вода (включает конституционную и кристалли-зационную). Первая из них представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, марганца; органические и органоминеральные соединения; глинистые минералы); вторая — целыми водными молекулами кристаллогидратов, преимущественно солей (полугидрат - CaS04*ЅН2O, гипс - CaS04*2H20, мирабилит — Na2S04*10H20). Конституционную и кристалли ационную воду иногда объединяют общим понятием гидратной или кристаллогидратной воды.

Эта вода входит в состав твердой фазы почвы и не является самостоятельным физическим телом, не передвигается и не обладает свойствами растворителя.

Парообразная вода. Эта вода содержится в почвенном воздухе порового пространства в форме водяного пара. Одна и та же почва может поглощать различное количество паров воды из атмосферного воздуха, что зависит от упругости пара: чем она больше, т. е. чем ближе припочвенный воздух к состоянию насыщения водяным паром, тем больше количество парообразно поглощенной воды в почве. Вообще говоря, почвенный воздух практически всегда близок к насыщению парами воды, а небольшое понижение температуры почвы приводит к его насыщению и конденсации пара, в результате чего парообразная вода переходит в жидкую; при повышении температуры имеет место обратный процесс. Парообразная вода в почве передвигается в ее поровом пространстве от участков с высокой упругостью водяного пара к участкам с более низкой упругостью (активное движение), а также вместе с током воздуха (пассивное движение).

Физически связанная, или сорбированная, вода. К этой категории относится вода, сорбированная на поверхности почвенных частиц, обладающих определенной поверхностной энергией за счет сил притяжения, имеющих различную природу. При соприкосновении почвенных частиц с молекулами воды последние притягиваются этими частицами, образуя вокруг них пленку. Удержание молекул воды происходит в данном случае силами сорбции.

Молекулы воды могут сорбироваться почвой как из парообразного, так и из жидкого состояния. Благодаря тому, что молекулы воды не являются энергетически нейтральными, а представляют собой диполи, они обладают способностьюпритягиваться полюсами друг с другом. Прочность их фиксации наибольшая у границ почвенных частиц. В зависимости от прочности подразделяется на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода. Прочносвязанная вода — это вода, поглощенная почвой из парообразного состояния. Свойство почвы сорбировать парообразную воду называют гигроскопичностью почв, а поглощенную таким образом воду — гигроскопической (Г). Таким образом, прочносвязанная вода — это вода гигроскопическая. Она удерживается у поверхности почвенных частиц очень высоким давлением — порядка (1-2) • 109 Па, образуя вокругпочвенных частиц тончайшие пленки. Высокая прочность удержания обусловливает полную неподвижность гигроскопической воды. По физическим свойствам прочносвязанная (гигроскопическая) вода приближается к твердым телам. Плотность ее достигает 1,5—1,8 г/см3, она не замерзает, не растворяет электролиты, отличается повышенной вязкостью и не доступна растениям.

Количество водяного пара, сорбируемого почвой, находится в тесной зависимости от относительной влажности воздуха, с которым соприкасается почва (рис. 16). Чем она больше, тем большее количество воды сорбируется почвой.

При низкой относительной влажности воздуха (порядка 20—40%) имеет место сорбция воды непосредственно почвенными частицами с образованием моно — бимолекулярного слоя. Дальнейшее увеличение относительной влажности воздуха обусловливает возрастание толщины водной пленки. Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха, близкой к 100% (94—98%), называют максимальной гигроскопической водой (МГ). При влажности почвы, равной МГ, толщина пленки из молекул воды достигает 3—4 слоев. На гигроскопичность почв и МГ оказывают существенное влияние свойства твердой фазы почв, и в первую очередь те из них, с которыми связана удельная поверхность почвенных частиц (гранулометрический и минералогический состав почв, степень их гумусированности). Чем выше в почве содержание илистой и особенно коллоидной фракции тем выше будет гигроскопичность почв и МГ. Ниже приведена максимальная гигроскопичность различных фракций покровных глин (по П.Ф.Мельникову,

1949):

Размер частиц, мм МГ °/о

0,01—0,005 0,4

0,005—0,004 1,1

0,004—0.003 1,5

0,003—0,002 1,9

0,002—0.001 5,1

0,001—0,0005 25,4

Гумус также увеличивает гигроскопичность почвы. Поэтому почвы с более высоким содержанием гумуса при одном и том же гранулометрическом составе всегда характеризуются большим значением МГ. В почвах минеральных максимальная гигроскопичность колеблется от 0,5—1% в слабогумусированных песках и супесях до 15—16% в сильногумусированных суглинках и глинах, а в торфах может достигать 30—50%.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода. Сорбционные силы поверхности почвенных частиц не насыщаются полностью даже в том случае, если влажность почвы достигнет МГ. Почва не может поглощать парообразную воду сверх МГ, но жидкую воду может сорбировать и в большем количестве. Вода, удерживае мая в почве сорбционными силами сверх МГ, — это вода рыхлосвязанная, или пленочная. Сила, с которой она удерживается в почве, измеряется значительно меньшим давлением (по сравнению с водой прочносвязанной) -- порядка (1—10)*105 Па.

Рыхлосвязанная вода также представлена пленкой, образовавшейся вокруг почвенной частицы, но пленкой полимолекулярной. Толщина ее может достигать нескольких десятков и даже сотен диаметров молекул воды. По физическому со стоянию рыхлосвязанная вода очень неоднородна, что обусловлено различной прочностью связи молекул различных слоев. Поэтому можно сказать, что она на ходится в вязкожидкой форме, т. е. занимает промежуточное положение между водой прочносвязанной и свободной. Рыхлосвязанная (пленочная) вода в отличие от прочно-связанной может передвигаться в жидкой форме от почвенных частиц с более толстыми водяными пленками к частицам, у которых она тоньше (рис. 17), т. е. передвижение этой воды возможно при наличии некоторого градиента влажности и происходит оно очень медленно, со скоростью несколько десятков сантиметров в год. Содержание пленочной воды в почве определяется теми же свойствами почв, что и содержание максимальной гигроско пической. В среднем для большинства почв оно составляет 7—15%, иногда в глинистых почвах достигает 30–35 и падает в песчаных до 3–5%.

Свободная вода. Вода, которая содержится в почве сверх рыхлосвязанной, находится уже вне области действия сил притяжения со стороны почвенных частиц (сорбционных) и является свободной. Отличительным признаком этой категории воды является отсутствие ориентировки молекул воды около почвенных частиц. В почвах свободная вода присутствует в капиллярной и гравитационной формах.

Капиллярная вода. Она удерживается в почве в порах малого диаметра – капиллярах, под действием капиллярных или, как их еще называют, менисковых сил. Возникновение этих сил обусловлено следующими явлениями. Поверхностный слой жидкости по своим свойствам отличается от ее внутренних слоев. Если на каждую молекулу воды внутри жидкости равномерно действуют силы притяжения и отталкивания со стороны окружающих молекул, то молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, и испытывают одностороннее, направленное вниз притяжение только со стороны молекул, лежащих ниже поверхности раздела вода – воздух. Силы, действующие вне жидкости, относительно малы и ими можно пренебречь. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости находятся под действием сил, стремящихся втянуть их внутрь жидкости. По этой причине поверхность любой жидкости стремится к сокращению, так как любая система стремится к компенсации свободной энергии (к форме сферы). Наличие у поверхностных молекул жидкости, ненасыщенных, неиспользованных сил сцепления является источником избыточной поверхностной энергии, которая также стремится к уменьшению. Это влечет за собой образование на поверхности жидкости как бы пленки, которая обладает поверхностным натяжением, или поверхностным давлением (давлением Лапласа), которое представляет собой разницу между атмосферным давлением и давлением жидкости.

Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почв сверху (после дождя или полива). При этом под промоченным слоем всегда имеется сухой слой, т. е. гидростатическая связь увлажненного горизонта с постоянным или временным горизонтом подпочвенных вод отсутствует. Вода, находящаяся в промоченном слое, как бы «висит», не стекая, в почвенной