Ємкість вбирання та її значення
Загальну кількість всіх катіонів, увібраних грунто- вими колоїдами, називають ємкістю вбирання, або ємкістю катіон- ного обміну (ЄКО). Це поняття ввів К. К. Гедройц. Цю величину виражають у міліграм-еквівалентах на 100 г грунту, вона зале- жить від механічного складу грунту, мінералогічного складу тон- кодисперсної частини і вмісту гумусних речовин.
Грунти з високим вмістом тонкодисперсних часток (глинисті), природно, мають більшу ємкість вбирання порівняно з піщаними, які мають низьку питому поверхню.
Серед глинистих мінералів найбільшу ємкість вбирання ма- ють мінерали групи монтморилоніту, найменшу — мінерали групи каолініту. Гідрослюди займають проміжне положення (табл. 8).
Таким чином, найбільшу ємкість вбирання мають глинисті грун-
Таблиця 8. Ємкість вбирання мінеральних і органічних колоїдів грунту
Глинисті мінерали і гумусні сполуки
| Ємкість вбирання, мг-екв/100 г грунту
|
Глинисті мінерали групи каолініту (за М. І. Горбуно-вим, 1963)
Глинисті мінерали групи монтморилоніту (за Шахтна- белем, 1952)
Гідрослюди (за М. І. Горбуновим, 1963)
Гумінові кислоти і їхні солі (за М. М. Кононовою, 1963): — підзолистих грунтів
— чорноземних грунтів
|
3—20
60—150 20—50
350 400—500
| ти, у складі яких багато тонкодисперсних часток монтморилонітів і гумусних речовин. Прикладом таких грунтів є чорноземи, які сформувалися на лесах і лесовидних суглинках в умовах помірно- континентального клімату.
Ємкість вбирання, поряд з іншими факторами, зумовлює рівень родючості грунту. Чим вища ємкість вбирання, тип вища родю- чість грунту. Це пояснюється тим, що увібрані катіони доступні для живлення рослин. У процесі мінерального живлення відбува- ється обмін протонів водню (Н+), які виділяють кореневі волоски у складі органічних кислот, на катіони дифузного шару колоїдної міцели (див. рис. 4). Отже, чим більше грунт (ГВК) увібрав катіо- нів, тим більше в ньому поживних речовин. З табл. 9 видно, що най- більшу ємкість вбирання мають високородючі типи грунтів — чор- ноземи, сірі лісові і каштанові.
Важливе значення у формуванні фізичних властивостей і родю- чості грунтів має склад увібраних катіонів (табл. 9).
Наявність в грунтах великої кількості двовалентних катіонів Са2+ і Mg2+ зумовлює коагуляцію грунтових колоїдів, яка лежить в основі формування структурних агрегатів. Структурні грунти, як відомо, мають оптимальні повітряний, водний і поживний режими. Колоїди, насичені одновалентними катіонами Na+, К+, протона- ми водню (Н+), у грунті перебувають у стані золю. Ці елементи
Таблиця 9. Склад увібраних катіонів та ємкість вбирання основних типів грунтів
Тип грунту
| Характерні увібрані катіони
| Ємкість вбирання, мг-екв на 100 г грунту
|
Дерново-підзолисті
Сірі лісові
Чорноземи
Каштанові
Сіро-бурі
Червоноземи
| Са, H>Mg
Ca>Mg>H
Ca>Mg
Ca>Mg>Na
Ca>Mg, Na, К
H>Mg>Ca
| 10—30 20—40 40—60 15—30 10—20 10—18
| спричинюють процес пептизації. Внаслідок заміни їх на дво- і три- валентні відбувається коагуляція. При вапнуванні (внесення СаСО3) і гіпсуванні (внесення CaS04) грунтів Са2+ витісняє з ГВК увібрані Н+, K+, Na+ і зумовлює перехід золю в гель. В ре- зультаті, крім нейтралізації кислої або лужної реакції, поліпшу- ється структурний стан грунту, підвищується його родючість. Цей приклад показує, що склад увібраних катіонів можна регулювати за допомогою засобів хімізації у напрямі підвищення родючості грунтів.
Загальну кількість всіх обмінних катіонів, крім Н+ і Аl3+, на- зивають сумою обмінних катіонів. Залежно від наявності у складі ГВК іонів водню і алюмінію грунти поділяють на насичені (Í+ і А13+ не містять) і ненасичені основами. Ступінь насиченості ГВК основами виражають у % (від 0 до 100). Чим вищий ступінь наси- ченості грунту основами, тим вища його родючість. Насиченими на території України є чорноземні і каштанові грунти, ненасичени- ми — дерново-підзолисті і сірі лісові.
9.4. ЕКОЛОГІЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ВБИРНОЇ ЗДАТНОСТІ ГРУНТУ
Явище вбирання частками грунту на своїй поверх- ні різних речовин має важливе значення в процесі грунтоутворен- ня, у формуванні його родючості.
Вбирна здатність грунту забезпечує і регулює поживний режим грунту, сприяє накопиченню елементів мінерального живлення рос- лин. Сума обмінних катіонів — один з основних показників харак- теристики грунту, його природної родючості. При внесенні в грунт органічних і мінеральних добрив колоїди грунту вбирають (нако- пичують) у верхньому шарі грунту поживні елементи для рослин.
Вбирна здатність грунту регулює реакцію грунту та її водно- фізичні властивості. Органічні кислоти, які надходять у грунт (продукти життєдіяльності мікроорганізмів і рослин), і кислоти, які синтезуються в грунті, частково нейтралізуються вільними ос- новами, а частково (у вигляді Í+) вбираються ГВК. При цьому ак- тивна кислотність грунтового розчину зменшується. Коагуляція і пептизація, які відбуваються в результаті зміни складу увібраних катіонів, зумовлюють структурний або безструктурний стан грун- тової маси. Структурні грунти мають високі водопроникність і во- логоємкість, низьку водопідіймальну здатність. Безструктурні грунти, навпаки, мають погані водно-фізичні властивості, а саме низьку водопроникність, малу вологоємкість. У безструктурних грунтах мало повітря, їх частки легко піднімаються вітром і пере- носяться на великі відстані. На таких грунтах часто бувають пило- ві бурі.
ГРУНТОВИЙ РОЗЧИН
Основні процеси грунтоутворення відбуваються ли- ше при наявності вільної води. Грунтова волога є тим середови- щем, в якому відбуваються процеси синтезу і розкладання органіч- них речовин, міграція і акумуляція хімічних елементів, різнома- нітні хімічні реакції, коагуляція, пептизація тощо. Багато речовин міститься у воді в розчиненому стані. Тому грунтову вологу нази- вають грунтовим розчином.
Хімічний склад і значення грунтового розчину в грунтоутворен- ні вивчав відомий грунтознавець С. О. Захаров. Виходячи з того що грунтовий розчин відіграє дуже велику роль в грунтоутворенні і живленні рослин, Г. М. Висоцький дійшов висновку: «Вода в грунті — все одно, що кров в організмі».
Грунтовий розчин — найактивніша частина грунту. Він постій- но перебуває в стані динамічної рівноваги з твердою фазою і по- вітрям грунту.
Більша частина хімічних сполук перебуває в грунтовому роз- чині у вигляді іонів. Основними катіонами грунтового розчину є Са2+, Mg2+, Na+, К+, NH4+, Н+. В незначній кількості містяться рід- кісні та розсіяні елементи, а саме: Cu2+, Pb2+, Zn2+, Ni2+, Co2+ та ін. В засолених грунтах багато Na+, Mg2+, Sr2+ і В3+.
Основними аніонами грунтового розчину є (НСО3)—, (NO2)—, (NO3)—, (Р04)3—, (SO4)—, Сl— та ін. У незасолених грунтах пере- важає бікарбонат-іон, а в засолених — хлор- і сульфат-іони.
Крім мінеральних сполук у грунтовому розчині містяться водо- розчинні органічні сполуки: органічні кислоти, фульвокислоти, амі- нокислоти, цукри, спирти та ін.
Концентрація розчинених речовин визначає величину осмотич- ного тиску грунтового розчину. Осмотичний тиск незасолених грун- тів не перевищує 2—3 атмосфери. У посушливі періоди, коли кон- центрація грунтового розчину підвищується, підвищується і осмо- тичний тиск, при зволоженні грунту — знижується. У засолених грунтах осмотичний тиск грунтового розчину досягає 10 атм і більше.
Величина осмотичного тиску впливає на засвоєння води корін- ням рослин. Якщо осмотичний тиск грунтового розчину більший, ніж тиск клітинного соку, то надходження води в кореневі волоски припиняється, незважаючи на значний вміст вільної води в грун- гі. В цьому разі рослина гине від фізіологічної посухи.
КИСЛОТНІСТЬ ГРУНТІВ
Природа кислотності та її види. Від складу і кон- центрації речовин, розчинених в грунтовому розчині, залежить йо- го активна реакція. Реакція грунтового розчину зумовлюється на-
явністю і співвідношенням в ньому водневих (Н+) і гідроксильних (ОН—) іонів. Величину активної реакції виражають в одиницях рН — десятичний логарифм концентрації Н+-іонів з від’ємним зна- ком. Отже, рН = – lg [H+].
Вода в звичайних умовах в незначній кількості дисоціює, тобто розпадається на іони Н+ і ОН—. Концентрація їх незначна. Добу- ток концентрацій [H+]·[ОН–] = 10–14. В ідеально чистій воді концентрація цих іонів однакова: [Н+] = [ОН–] = 10–7.
Збільшення концентрації іонів Н+ (доливання кислоти) зумов- лює кислу реакцію розчину [Н+]>10–7. Збільшення концентрації основ підвищує концентрацію іонів ОН–. Розчин набуває лужної реакції [ОН–] > 10–7.
В нейтральних розчинах, в яких [Н+] = [ОН–] = 10–7, величи- на рН = 7, в кислих — менше 7, в лужних — більше 7. рН грунто- вих розчинів коливається в межах від 3 до 9.
Залежно від стану іонів Н+ розрізняють актуальну і потенці- альну кислотність.
Актуальна кислотність зумовлена наявністю в грунтовому роз- чині вільних іонів Н+. Її величину (рН) визначають у водних ви- тяжках.
Потенціальна кислотність зумовлена наявністю в ГВК увібра- них іонів Н+ і Аl3+, які знаходяться в твердій фазі грунту. Іони алюмінію підкислюють грунтовий розчин внаслідок гідролізу солей алюмінію. АlСl3 + 3Н2О ® Аl (ОН)3 + 3НСl.
За способом визначення потенціальної кислотності виділяють обмінну і гідролітичну кислотності.
Обмінна кислотність — концентрація іонів водню, витіснених з дифузного шару колоїдної міцели катіонами нейтральних солей. Для визначення обмінної кислотності використовують 1,0 н. роз- чин KCl (рН близько 6,0).
Гідролітична кислотнісіь. Іони водню утримуються колоїдною часткою дуже міцно і при обміні з катіонами нейтральної солі пов- ністю не витісняються. Якщо діяти на грунт гідролітично лужною сіллю (солі з сильною основою і слабким кислотним залишком), то відбудеться майже повне витіснення увібраних іонів водню. Для визначення гідролітичної кислотності використовують IM розчин CH3COONa (рН близько 8,2). Схему обмінної і гідролітичної кис- лотності наведено на рис. 18.
Меліорація кислих грунтів. Кисла реакція грунтів несприятлива для більшості культурних рослин і корисних мікроорганізмів. Вона негативно впливає на процес формування родючості грунтів. Кислі грунти мають погані фізичні властивості. Через відсутність основ органічна речовина в цих грунтах не закріплюється, вони бідні на
Рис. 18. Схема обмінної (а) і гідролітичної (б) кислотності.
поживні елементи, не містять хлоридів, сульфатів, карбонатів, їх грунтова маса погано оструктурена. Отже, ступінь кислотності грун- тів є важливим показником під час оцінки генетичної і виробничої якості грунту.
За величиною рН грунти поділяють на сім агровиробничих груп (табл. 10).
Кожна агровиробнича група потребує певних меліоративних заходів. Для нейтралізації надлишкової кислотності проводять вап- нування грунтів. При внесенні вапна СаСОз, реагуючи з вуглекис-
Таблиця 10. Агровиробничі групи грунтів за величиною рН
| рH
| Група грунтів
| Тип грунтів
| | <4,5
4,5—5,5
5,5— 6,5
6,5—7,0
7,0—7,5
7,5—8,5
>8,5
| Сильнокислі
Кислі
Слабкокислі
Нейтральні
Слабколужні
Лужні
Сильнолужні
| Болотні, болотно-підзолисті, підзолисті, червоно-земи, тропічні Підзолисті, дерново-підзолисті, червоноземи, тро- пічні
Підзолисті, дерново-підзолисті, сірі лісові, черво- ноземи, тропічні Сірі лісові, чорноземи Чорноземи південні, каштанові Солонці, солончаки Содові солонці, солончаки
| | | | | | | | лотою грунту, переходить у розчинну сполуку Са(НСО3)2, яка взаємодіє з ГВК за такою схемою:
При наявності в грунті алюмінію реакція відбувається за такою схемою:
Дозу вапна розраховують за гідролітичною кислотністю орного горизонту. Внесена доза вапна має повністю нейтралізувати уві- брані Н+ і А13+. Якщо 20-сантиметровий шар грунту має щільність 1,3 г/см2, його маса на площі 1 га становитиме 2600 т. Встановле- но, що для нейтралізації 1 г-екв гідролітичної кислотності на 100 г грунту на 1 га слід вносити 1,3 т СаСО3. Проте в грунт вно- сять не повну дозу вапна, а певну її частину залежно від біологіч- них особливостей культурних рослин.
Крім наведеного методу дозу вапна на 1 га грунту можна роз- рахувати, користуючись формулою
а · 10 · 100 ·3 000 000
x = ——————————,
1 000 000 000
де а — повна гідролітична кислотність, ммоль.
Доведено, що між рН сольової витяжки і гідролітичною кислот- ністю грунту певного механічного складу існує чітка кореляційна залежність. Враховуючи це, розроблені спеціальні таблиці, що да- ють змогу визначити дозу за рН сольової витяжки (табл. 11).
Таблиця 11. Дози вапна залежно від рН і механічного складу грунту, т/га
Механічний скіад грунту
| рН сольової витяжки
| 4,5
| 4,6
| 4,8
| 5,0
| 5,2
| 5,4—5,5
|
Піщаний
Супіщаний Легкосуглинковий Середньосуглинковий Важкосуглинковий
Глинистий
| 2,5
3,5
4,5
5,5
7,0
8,0
| 2,1
3,0
4,0
5,0
6,5
7,5
| l,6
2,5
3,5
4,5
6,6
7.0
| 1,3
2,0
3,0
4,0
5,5
6,5
| 1,0
1,5
2,5
3,5
5,0
6,0
| 0,7—0,5
1,2—1,0
2,0
3,0 4,5
5,5
|
ЛУЖНІСТЬ ГРУНТІВ
Лужна реакція грунтових розчинів може бути зу- мовлена різними сполуками: карбонатами, гідрокарбонатами, хло- ридами і сульфатами лужних і лужноземельних металів, гуматами натрію, силікатами та іншими сполуками. Основну роль при цьому відіграють гідролітично лужні солі слабких кислот, а саме: карбо- нати натрію і калію, гідрокарбонати натрію і калію, карбонати кальцію і магнію. Основні аніони, які зумовлють лужну реак- цію, є:
S2–; РО43–; Н3SiO4–; Н2ВО3–; Аl (H2O)2(ОН)4–; НРО4–; HS–; HCO3–
Розрізняють актуальну (активну) і потенціальну лужність. Актуальна лужність зумовлена наявністю в грунтовому розчи- ні гідролітично лужних солей, під час дисоціації яких утворюєть- ся значна кількість гідроксильних іонів. Лужність грунту визна- чають титруванням водної витяжки в присутності різних індика- торів і виражають в міліграм-еквівалентах на 100 г грунту.
Потенціальна лужність проявляється у грунтах, які містять уві- браний натрій. При дії на грунт вугільною кислотою увібраний ГВК натрій заміщується іонами Н+. В грунтовому розчині утворю- ється сода, яка підвищує лужну реакцію:
[ГВК] 2Na+ + Н2СО3 [ГВК] 2Н+ + Na2CO3.
Висока лужність несприятлива для росту і розвитку більшості сільськогосподарських рослин. Лужні грунти мають низьку родю- чість, несприятливі фізичні властивості і хімічний склад. Вони, як правило, тверді, зцементовані, безструктурні, у вологому стані в’язкі, липкі, водонепроникні.
Меліорація лужних грунтів проводиться внесенням гіпсу (гіп- сування) та інших солей (кальцієва селітра, сульфат заліза, піритні недогарки). При цьому відбувається заміщення обмінного натрію на кальцій.
[ГВК] 2Na+ + CaS04 = [ГВК] Ca2+ + Na2S04 .
Сульфат натрію, який при цьому утворюється, потрібно вимити прісною водою в нижні горизонти. При внесенні гіпсу також від- бувається нейтралізація соди, яка є найшкідливішою сполукою в засолених грунтах.
Na2CO3 + CaSO4 = СаСО3 + Na2SO4 .
Содові солончаки доцільно меліорувати сірчаною кислотою (кислу- вання).
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O + CO2 .
БУФЕРНІСТЬ ГРУНТІВ
Буферністю називають здатність грунту протистоя- ти зміні активної реакції під дією незначної кількості кислот або лугів. Отже, існує буферність проти кислотних і буферність проти лужних реагентів.
Буферність грунтів зумовлена в основному складом увібраних основ та властивостями грунтового вбирного комплексу. Ця влас- тивість проявляється в процесі вбирання і витіснення іонів, пере- ходу сполук в іонні або молекулярні форми, утворення важкороз- чинних сполук і випадання їх в осад.
При дії на грунт кислотою відбувається обмін між увібраними катіонами і іонами водню, в грунтовому розчині утворюється ней- тральна сіль Отже, підкислення грунту не відбувається.
[ГВК] Са2+ + 2НСl = [ГВК] 2Н+ + CaCl2 .
При дії на грунт лугом відбувається обмін увібраних іонів вод- ню на катіон лугу, в результаті чого він нейтралізується. Лужна буферність властива кислим грунтам.
[ГВК]2Н+ + Са(ОН)2 = [ГВК]Са2+ + Н2О.
Таким чином, ГВК є регулятором концентрації грунтового розчину.
Величина (діапазон) буферності залежить від вмісту в грунті тонкодисперсних часток. Глинисті грунти мають високу буферність, піщані — майже не мають її.
Явище буферності має велике значення при хімічній меліорації грунтів та застосуванні мінеральних добрив.
Розділ 10 ГРУНТОВА ВОЛОГА І ГРУНТОВЕ ПОВІТРЯ
Грунт як багатофазна система містить в собі воду і повітря. Вода надходить в грунт у вигляді атмосферних опадів, в процесі конденсації водяних парів з атмосфери, в результаті ка- пілярного підняття грунтових вод та під час зрошення Вона віді- грає дуже важливу роль у грунтоутворенні. Від вмісту води в грунті залежить інтенсивність біологічних, хімічних і фізико-хіміч- них процесів. Вода забезпечує переміщення речовин в просторі, впливає на повітряний, поживний і тепловий режими грунту. Се- зонна динаміка грунтоутворюючих процесів значною мірою відбу- вається під впливом грунтових вод. Продуктивність грунтів зале- жить від їх водного режиму. Одночасно грунтовий і рослинний по- криви відіграють важливу роль в кругообгу води в природі.
Вчення про водні властивості і водний режим грунтів є окрема
галузь грунтознавства — гідрологія грунтів. Над створенням цієі галузі працювало багато вітчизняних і зарубіжних вчених (О. О. Ізмаїльський, Г. М. Висоцький, О. Г. Дояренко, О. А. Роде, Б. Кін, Г. Цункер, В. Гарднер та ін.).
СТАН І ФОРМИ ВОДИ В ГРУНТІ
Вода в грунті перебуває в трьох станах: твердому, рідкому і газоподібному. За фізичним станом, рухомістю і доступ- ністю для живих організмів грунтову воду поділяють на форми: пароподібну, хімічно зв’язану, сорбційно зв’язану і вільну.
Пароподібна вода. В грунтовому повітрі завжди міститься водя- на пара. Повітря нормально зволоженого грунту насичено водяною парою до 100%. Пароподібна вода є динамічною формою. Вона безперервно утворюється в грунті, переміщується з одного горизон- ту в інший, перетворюється на інші форми: вільну або сорбційну. Всі ці процеси зумовлені змінами температури грунту та атмосфер- ного тиску. Разом з переміщенням водяної пари, особливо в проце- сі випаровування, відбувається переміщення по профілю грунту розчинених в ньому речовин.
Хімічно зв’язана вода. Багато мінералів грунту містять в своєму складі молекули води (Na2S04·10H2O; CaSO4·2H2O; MgCl2·6H20 та ін.). Цю форму води називають кристалізаційною. Крім того, виділяють конституційну воду, яка представлена в мінеральних, ор- ганічних і органомінеральних сполуках гідроксильною групою ОН. Ці форми води входять до складу твердої фази грунту, вони є не- рухомі і недоступні для рослин.
Сорбційно зв’язана (або фізично зв’язана) вода. Молекули (ди- полі) води вбираються поверхнею негативно заряджених колоїдів грунту і орієнтуються позитивним полюсом до ядра міцели (рис. 19). Залежно від міцності утримання води міцелою її поді- ляють на міцнозв’язану (гігроскопічну) і слабкозв’язану (плів- часту).
Гігроскопічна вода утворюється за рахунок сорбції молекул во- дяної пари на поверхні колоїдних часток, міцно утримується сорб- ційними силами (10000—20000 атм) і тому є нерухомою. Густина її досягає 1,5—1,8 г/см3, не розчиняє хімічні сполуки, не замерзає і не доступна для рослин. Кількість гігроскопічної води в грунті залежить від температури, насиченості грунтового повітря водяною парою, механічного і мінералогічного складу грунту та вмісту в ньому гумусу. Найбільшу кількість води, яку може увібрати грунт з пароподібного стану (при вологості повітря 94—98%), назива- ють максимальною гігроскопічністю грунту.
Сорбційні сили колоїдів грунту повністю не врівноважуються молекулами гігроскопічної води навіть при досягненні максималь-
ної гігроскопічності. Залиш- кові сили здатні вбирати і утримувати (з силою 1— 10 атм) певну кількість рід- кої води, яку називають плівчастою. За фізичним станом вона перебуває у в’язко-рідкій формі і здат- на переміщуватися в різних напрямах від більш тов- стих плівок до тонших. Ця форма води частково дос- тупна для рослин. Вона роз- чиняє і переміщує з незнач- ною швидкістю водороз- чинні солі.
Рис. 19. Схема утворення гігроскопічної вологи (за І. П. Герасимовим та М.А.Гла- зовською).
| Вільна вода — вода грунту, яка не піддається дії сорбційних сил. Ця фор- ма не має молекул, які орі- єнтовані до колоїдних час- ток грунту. В грунтах вона міститься у двох формах: капілярній і гравітаційній.
Капілярна вода знаходиться в порах малого діаметра — капіля- рах. Утримується під дією капілярних або меніскових сил. Природу виникнення цих сил вивчають у курсі фізики середньої школи. Тут ми лише нагадаємо, що, згідно з законом Лапласа, меніскові сили будуть більші там, де вужчий капіляр, а це, в свою чергу, зумов- лює висоту капілярного підняття. Крім того, меніскові сили поси- люються силами змочування.
При позитивних температурах капілярна вода перебуває в рід- кому стані і вільно випаровується з поверхні менісків, при мінусо- вих — замерзає. Це основна форма води, яку засвоюють рослини. Вона дуже рухлива, розчиняє органічні і мінеральні сполуки, пе- рерозподіляє по профілю солі, колоїди, суспензії. Висхідний рух води по капілярах поповнює запаси вологи у верхньому горизонті грунту. Заходи, спрямовані на накопичення і збереження вологи в грунті, мають на меті створення запасів саме капілярної води.
Висота підняття капілярної води в реальних грунтах залежить від їх механічного і структурного складу. В глинистих грунтах (які мають тонкі капіляри) вона піднімається на висоту 2—6 м, в піща- них — 40—60 см. В структурних грунтах капілярна вода підніма- ється на незначну висоту і добре зберігається.
Залежно від джерела капілярну воду грунту поділяють на ка- пілярно-підвішену, капілярно-підперту і капілярно-посаджену.
Рис. 20. Рівень грунтових вод і капілярна кайма (за О. А. Роде, 1955):
аа — рівень води у свердловині; АА — дзеркало грунтових вод; ВВ — верхня межа капілярної кайми.
Капілярно-підвішена вода заповнює пори зверху після дощу, танення снігу, під час зрошення, тривалий час зберігається в грун- ті і доступна для рослин. Утримується в грунтах завдяки різниці тиску на поверхню верхнього і нижнього менісків. Нижче зволоже- ного шару залишається сухий шар грунту. Отже, вода вологого шару начебто «висить» над сухим. Вологість грунту зменшується зверху донизу, інтенсивне випаровування цієї води призводить до засолення поверхневого шару грунту.
Капілярно-підперта вода формується за рахунок підняття грун- тових вод. Вона підперта водоносним горизонтом. Шар грунту який містить капілярно-підперту воду над водоносним горизонтом, називають капілярною каймою (рис. 20). Потужність її залежить від водопідіймальної здатності грунту. Вміст води в каймі збільшу- ється зверху донизу.
Капілярно-посаджена (підперто-підвішена) вода акумулюєть- ся в шаруватих грунтах, в дрібнозернистих шарах, під якими за- лягають крупнозернисті. На межі тонкодисперсного і грубодис- персного горизонтів, внаслідок різкої зміни розмірів капілярів, виникають додаткові нижні меніски, які і утримують деяку кіль- кість капілярної води. Дана вода начебто «посаджена» на ці ме- ніски.
Гравітаційна вода — вода атмосферних опадів та поливна, яка заповнює широкі пори грунту і переміщується по профілю грунту
під силою земного тяжіння. За нормальних умов вона перебуває в рідкому стані, розчиняє хімічні сполуки і переміщує їх вниз по профілю.
Гравітаційна вода витісняє повітря з грунту, створюючи неспри- ятливі умови (анаеробні) для життя рослин та інших організмів. Зменшення кількості гравітаційної води в грунті здійснюють осу- шенням.
ВОДНІ ВЛАСТИВОСТІ ГРУНТУ
Основними водними властивостями грунту є водо- проникність, водоутримуюча здатність (вологоємкість), водопідій- мальна здатність, доступність води для рослин.
Водопроникність грунтів — здатність грунтів пропускати через себе воду, яка надходить з поверхні. Залежить від механічного, структурного і хімічного складу грунтів, його щільності, пористо- сті, вологості і тривалості зволоження. Глинисті грунти мають низьку водопроникність, піщані і структурні — високу. Набухання колоїдів грунту різко знижує водопроникність грунту. Низька во- допроникність — негативне явище в землеробстві.
Вологоємкість грунту —здатність поглинати і утримувати пев- ну кількість води. Виділяють такі види вологоємкості: максималь- на гідроскопічна, максимальна молекулярна (плівчаста), капіляр- на, найменша (польова) і повна.
Найменшою (польовою) вологоємкістю є кількість капілярно- підвішеної води, яку утримує грунт в даний момент при глибокому заляганні грунтових вод. В структурних грунтах вона становить 30—35, а в піщаних—10—15%. За її величиною розраховують норми поливу. Різницю між найменшою вологоємкістю і фактичною вологістю грунту називають дефіцитом вологи.
Повна вологоємкість — найбільша кількість вологи, яку може увібрати і утримувати грунт. В цьому разі в грунті міститься мак- симальна кількість всіх форм води. Її величина залежить від меха- нічного, структурного складу і пористості грунту. Повна вологоєм- кість більшості грунтів становить 40—50%. Цю величину також використовують для розрахунків норм поливу.
Вологість в’янення (коефіцієнт в’янення) — вологість грунту, за якої проявляються ознаки в’янення рослин Ця величина зале- жить від властивостей грунту (механічний склад, засолення, наяв- ність торфу тощо) і біологічних особливостей рослин. Вологість в’янення глинистих грунтів становить 20—30%, піщаних — 1— 3%, торфових — 60—80%. Вологолюбні рослини починають в’яну- ти при вищій, посухостійкі — при нижчій вологості грунту.
10.3. ВОДНИЙ БАЛАНС І ТИПИ ВОДНОГО РЕЖИМУ ГРУНТУ
Під водним режимом грунту розуміють сукупність всіх явищ надходження води в грунт, її переміщення, змін фізич- ного стану і витрати з грунту. Кількісним вираженням водного ре- жиму є водний баланс. Водний баланс — це співвідношення всіх статей прибутку і всіх статей видатку води з грунту за певний пе- ріод.
Основними статтями надходження води в грунт є: сума опадів за весь період спостереження, волога, яка надійшла з грунтових вод, кількість конденсаційної вологи, вода поверхневого стоку, во- да від бічного притоку грунтових вод.
Витрачається вода на випаровування з поверхні грунту, на транспірацію (десукцію), на поповнення поверхневих грунтових вод (інфільтрацію), на поверхневий стік, на бічний підгрунтовий стік.
Залежно від клімату і рельєфу в різних грунтово-кліматичних зонах водний баланс і відповідно водний режим грунтів будуть не- однакові. Водний режим зумовлюється співвідношенням суми ста- тей прибутку і суми статей видатку вологи. Практично тип водного режиму визначають за коефіцієнтом зволоження (КЗ) (відношен- ня річної суми опадів до річного випаровування), який в природ- них умовах коливається від 3 до 0,1.
Вчення про типи водного режиму розробили Г. М. Висоцький і О. А. Роде. В сучасному грунтознавстві виділяють всього 14 типів, основними серед яких є:
1. Промивний тип (К3 > 1). Характерний для зон, де сума річ- них опадів більше випаровування. Частина води атмосферних опа- дів промиває грунтовий профіль на всю глибину. Легкорозчинні сполуки вимиваються в нижні горизонти. В таких умовах форму- ються підзолисті грунти, червоноземи і жовтоземи вологих суб- тропіків (рис. 21).
2. Непромивний тип (КЗ < 1). У цьому разі вода атмосферних опадів не досягає рівня грунтових вод. Такий тип є характерним для чорноземних і каштанових грунтів.
3. Випітний тип (КЗ < 1) властивий для грунтів напівпустинь і пустинь. Тут переважають висхідні токи води по капілярах від рів- ня грунтових вод, що призводить до засолення грунтів.
4. Застійний тип водного режиму характерний для грунтів бо- лотного типу, які формуються при високому заляганні грунто- вих вод.
5. Іригаційний тип встановлюється при систематичному зрошен- ні грунту. Залежно від режиму зрошення в грунтах періодично встановлюються промивний, непромивний або випітний режими.
Рис.21. Схематичні зображен- ня типів водного режиму
(за О. А. Роде):
а — промивний тип;
б — непромивний тип;
в — випітний тип.
|
Мертвий горизонт
Б в
6. Мерзлотний тип водного режиму встановлюється в районах багаторічної мерзлоти.
Інші типи водного режиму в основному є перехідними між раніше зазначеними або їх варіантами.
10.4. СКЛАД ГРУНТОВОГО ПОВІТРЯ ТА ЙОГО РОЛЬ У ГРУНТОУТВОРЕННІ
Грунтове повітря — це суміш газів і летких орга- нічних сполук, які заповнюють пори грунту. Основними джерелами- надходження повітря в грунт є приземний шар атмосфери і гази, які утворюються в грунті. Воно потрібне для дихання коренів рос- лин, аеробних мікроорганізмів, тваринних організмів.
Грунтове повітря перебуває в грунті у трьох станах: вільному, адсорбованому і розчинному.
Вільне повітря заповнює капілярні і некапілярні пори, легко пе- реміщується в грунті і обмінюється з атмосферою. Його газовий склад значно відрізняється від складу атмосферного повітря. Ли- ше вміст азоту залишається близьким до його вмісту в атмосфері.
Вміст СО2 в грунтовому повітрі може бути в десятки і сотні ра- зів більший, ніж в атмосфері, а вміст О2 знижується від 20,9 до 10% і нижче.
Адсорбція газів поверхнею твердої фази грунту залежить від будови їх молекул. Найбільше адсорбується аміак, найменше азот (NH3 > CО2 > О2 > N2).
Розчинність газів у воді залежить від їх концентрації в грунто- вому повітрі і температури. Найкраще розчиняються у воді аміак, сірководень, вуглекислий газ, найменше — азот. При пониженні температури розчинність газів збільшується.
Велике значення в грунтових процесах має кисень. У грунт з атмосфери він надходить дифузно. Витрачається на дихання коре- нів, мікроорганізмів. Оптимальні умови для дихання створюються при вмісті О2 в грунтовому повітрі близько 20%. В разі нестачі кисню в грунті розвиваються анаеробні процеси, які негативно впливають на родючість грунту.
Високий вміст вуглекислого газу в грунтовому повітрі зумов- люється біологічними процесами. За високої концентрації CO2 (>2—3%) спостерігається пригнічений розвиток рослин.
Дифузію СО2 з грунту в приземний шар атмосфери прийнято називати диханням грунту. Інтенсивність дихання грунту залежить від характеру рослинності, системи обробітку, гідротермічних умов тощо. Воно наростає з півночі на південь. Тундрові грунти протя- гом року виділяють в атмосферу 0,3 т/га, підзолисті — від 3,5 до 30, сірі лісові — від 20 до 60 і чорноземи — від 40 до 70 т/га СО2 Підвищення концентрації СО2 в приземному шарі атмосфери під- вищує інтенсивність фотосинтезу.
10.5. ПОВІТРЯНІ ВЛАСТИВОСТІ І ПОВІТРЯНИЙ РЕЖИМ ГРУНТУ
Сукупність фізичних властивостей грунтів, які виз- начають стан і переміщення грунтового повітря, називають повіт- ряними властивостями грунту. Найважливішими з них є: повітро- ємкість, вміст повітря, повітропроникність і аерація.
Повітроємкість грунту — максимально можлива кількість по- вітря (в %), яка міститься в повітряносухому непорушеному грун- ті. Ця величина залежить від гранулометричного складу і острук- туреності грунту. Піщані і структурні грунти мають високу повіт- роємкість.
Вміст повітря— величина, яка вказує, скільки повітря (в %) містить одиниця об’єму грунту в даний момент. Вона безперервно змінюється залежно від зміни вологості. Тому максимальний вміст повітря має сухий грунт.
Повітропроникністю (газопроникністю) називають здатність грунту пропускати крізь себе повітря. Вона залежить від грануло- метричного складу і оструктуреності грунту, тобто від об’єму і кон- фігурації пор. Найкращу газопроникність мають структурні розпу- шені грунти.
Аерація грунту — безперервний газообмін грунтового повітря з атмосферним. В процесі аерації грунтове повітря збагачується на кисень, потрібний для дихання живих організмів, а приземний шар повітря — вуглекислим газом, який використовують рослини в про- цесі фотосинтезу. Аерація грунту зумовлюється газовою дифузією внаслідок коливання температури, зміною атмосферного тиску, пе- ріодичним зволоженням і висиханням грунту та іншими факто- рами.
Сукупність всіх явищ надходження повітря в грунт, зміна його складу, виділення в атмосферу називають повітряним режимом грунту. Він постійно змінюється під впливом погодних умов, рос- линності, обробітку грунту тощо. Найсприятливіший повітряний режим мають структурні грунти. Вони забезпечують мікроорганіз- ми і кореневу систему вищих рослин киснем у потрібній кількості.
Регулюють повітряний режим грунту агро
|