О физико-химических свойствах почв и режимах увлажнения

В природе почти все растения "живут" на почве, и только в условиях влажного тропического леса многие растения приспособились обходиться без почвы, либо просто опираясь на другие растения, либо паразитируя на них. В наших климатических условиях такие растения-паразиты тоже встречаются.
Что же такое – почва, из чего она состоит и какую роль играет в жизни растений?

  • Почва (определение по ГОСТ 27593-88) — самостоятельное естественноисторическое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твёрдых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия.

На первый взгляд, мудреное определение, однако главное в нем то, что почва – это продукт взаимодействия органической и минеральной составляющих Природы.

Основу, подложку, на которой развивается почва, принято называть субстратом.
Субстратом, на котором развиваются почвы, как правило, являются осадочные породы. Слово "осадочные" уже содержит в себе подсказку об их происхождении. Осадочными породами называют все образования, возникшие путем осаждения перемещаемых потоками воды или воздуха обломков горных пород или остатков растительного и животного происхождения.
Почвы могут образовываться практически на любых горных породах, включая горно-кристаллические, песчаники, известняки, озёрные и морские отложения.
Наиболее постоянными в числе факторов, определяющих многие свойства почвы по отношению к воде и её движению в почве, являются свойства почвообразующей породы, связанные, в значительной мере, с крупностью формирующих её частиц (гранулометрическим составом).
Вот некоторые из этих свойств:
- степень аэрации
- водопроницаемость
- водоудерживающая способность
- капиллярные свойства
- тепловой режим и др.

Песчаные и супесчаные почвы имеют благоприятный воздушный и тепловой режим, (то есть они хорошо водо- и воздухопроницаемы и быстро прогреваются), но мало влагоемки (плохо удерживают влагу).

Глинистые почвы обладают высокой влагоемкостью и слабой водопроницаемостью, плохой водоотдачей, сильным набуханием и неблагоприятными тепловыми свойствами.
Суглинистые почвы, занимающие промежуточное положение, по свойствам и составу являются наилучшими. Они имеют благоприятный воздушный и тепловой режим, хорошо водопроницаемы, обладают высокой влагоемкостью и мобильностью почвенной влаги.

Для целей назначения режимов орошения тех или иных сельскохозяйственных культур (сроков и норм поливов) выделяют пять основных групп почвообразующих пород, заметно отличающихся показателями водно-физических свойств:
 1 - песчаные
 1а - маломощные, сильнокаменистые
 2 - супесчаные
 3 – легко- и среднесуглинистые
 4 - среднесуглинистые (плотные) и тяжелосуглинистые
 5 – глинистые
6 – песчано-подзолистые

В почвоведении принято все осадочные породы, на которых развиваются почвы, разделять по крупности на следующие категории:
- каменистые - крупнее 50 мм
- гравелистые - от 2 до 50 мм
- песчаные - от 0,02 до 2,0 мм
- пылеватые - 0,002 до 0,02 мм
- глинистые - менее 0,002 мм
Но в природе нет или почти нет осадочных пород, которые бы состояли из частиц только одного размера. Если взять килограмм любой почвообразующей породы, например, суглинистой, и попробовать рассортировать на составные части по размеру частиц, то окажется, что даже самые однородные лёссовидные породы состоят из целого набора фракций разной крупности.
Такая сортировка обычно производится в лаборатории при исследовании почвы.

В домашних условиях на ощупь можно быстро и довольно точно определить механический состав почвы (правильнее говорить - гранулометрический состав - содержание каждой фракции в % от веса почвы):
- камни, гравий и песок легко различаются и на вид и на ощупь
- глина, как и песок, довольно легко отличается на вид и особенно на ощупь. Глина - своей пластичностью во влажном виде, а песок - крупинками и сыпучестью в сухом виде.
Без знания определённых приёмов довольно трудно на ощупь определить супесь и суглинок.

На хорошо известном каждому садоводу рисунке показано, как с достаточной для практики точностью можно определить категорию почвы по гранулометрическому составу.

В зависимости от доли частиц осадочных пород того или иного размера, на которых формируются почвы, они получают своё название:
- каменистые
- гравелистые
- песчаные
- супесчаные
- суглинистые
- глинистые

Теперь посмотрим на рисунок.
Песчаные почвы (а) в сухом состоянии рассыпаются горкой, как бы вы их ни старались сформовать.
Супеси (б) во влажном состоянии могут удерживать форму шара.
Лёгкие суглинки (в) можно раскатать в толстую "колбаску", диаметром 2,0 см, которая легко трескается.
Средние суглинки (г) легко отличить от тяжелых: при раскатывании "колбаски" диаметром менее 1 см из них не получаются.
У тяжелосуглинистых почв (е) такая "колбаска" без растрескивания легко сгибается в дугу (д), но растрескивается при сгибании в кольцо.
У глинистых (ж) она сгибается в кольцо без растрескивания, и даже может быть завязана в узел.
Слева на рисунке показано, как готовится из хорошо увлажнённой почвы "колбаска" длиной 10 см, диаметром 1,0…0,5 см.

Водные свойства почвенных субстратов зависят от крупности образующих их частиц.
Некоторые могут спросить, зачем нужно знать, какие частицы образуют каркас почвы и как называется почвообразующая порода?
Ответ: затем, что от размера частиц и процентного содержания той или иной фракции частиц почвообразующей породы зависят очень многие свойства, влияющие на удержание, передвижение влаги и её доступность для растений:
- влагоудерживающая способность
- влагопроводность
- теплопроводность
- воздухопроницаемость
- промываемость от солей
- диапазон доступной для растений влаги
- трудность обработки механизмами при различной влажности и т.д.

Поясним на примере как от крупности частиц почвы зависят перечисленные выше свойства. Посмотрим на рисунок ниже.

кубик.jpg

Представим себе мелкие камни в виде кубиков с размером ребра 1 см. Площадь поверхности каждого такого камня составит:
Sпов = ΣSгр = 6 х 1 = 6 см2 или 600 мм2. При этом объем кубика составит 1 см3.
 
Теперь представим, что каждый кубик вдоль и поперёк аккуратно разрезан на кубики с ребром в 1 мм. Значит, из каждого большого кубика получится 1000 маленьких, общий объём которых останется равным 1 см3, а поверхность? Подсчитаем. Каждый маленький кубик с ребром в 1 мм будет иметь площадь поверхности 6 мм2, всего кубиков из 1 см3 образуется 1000, таким образом, общая поверхность всех маленьких кубиков составит
6 мм2х 1000 = 6000 мм2, или в 10 раз больше, чем исходного большого кубика.

Значит, если на смоченной поверхности камня может удерживаться без стекания вниз плёнка воды толщиной, скажем 0,0001 мм, то на крупном кубике удержится
0,0001 мм х 600 мм2= 0,06 мм3 влаги, а на мелких кубиках, созданных из одного крупного кубика, будет удерживаться в десять раз больше, или 0,6 мм3!
Если теперь каждый кубик с ребром в 1 мм разделить на кубики с ребром 0,1 мм, то очевидно, что удерживающая способность возрастёт ещё в десять раз и достигнет 6,0 мм3. Аналогичные рассуждения можно продолжить для ещё более мелких частиц. Таким образом, становится понятным, почему один и тот же объём почвы, состоящей из мелких частиц, лучше удерживают воду, чем состоящий из крупных частиц.
 
Чем мельче частицы почвообразующей породы, тем лучше такая почва удерживает не только воду, но и другие вещества. Это, в значительной мере, определяет емкость почвенного поглощающего комплекса, то есть способность удерживать (адсорбировать) на поверхности почвенных частиц и влагу, и катионы солей из почвенного раствора.

Следует, однако, добавить, что почвы мелкозернистые (глинистые и тяжелосуглинистые) хоть и сильнее связывают влагу (адсорбируют), но и с большим трудом отдают её растениям.

Посмотрим на следующий рисунок, иллюстрирующий процесс удержания влаги почвенными частицами.
Исследованиями ученых показано, что в крупных, диаметром более 0,7 - 1,0 мм, порах почвы располагается свободная влага, которая может свободно стекать вниз под действием силы тяжести (1).
На относительно большом расстоянии от почвенных частиц находится капиллярная влага (6).
Чуть ближе к почвенным частицам располагается слой легко связанной плёночной влаги (4).
Все три вышеперечисленных вида влаги хорошо доступны растениям.
Они содержат растворимые соли, но свободно передвигаться могут только от частицы к частице (от толстых, слабо связанных с почвой плёнок влаги, к тонким сильно связанным,  т.е., от мест более влажных, к местам менее влажным).
Непосредственно контактирует с почвенной частицей (2) прочно связанная сорбционная влага (3). Эта влага настолько сильно удерживается межмолекулярными силами, что она практически недоступна растениям, поэтому корни её всосать не могут. В этой влаге, как предполагают учёные, даже нет растворимых солей. Передвигаться она может, только перейдя в парообразное состояние.
В крупных промежутках между почвенными частицами могут быть и пузырьки "защемлённого" воздуха (5), то есть воздуха, который трудно вытеснить при насыщении почвы влагой (обычно, полного насыщения почвы водой можно достигнуть только в лабораторных условиях, увлажняя её в вакууме).

схема удержания влаги частицами почвы.jpg


Представленный на рисунке фрагмент пространства между частицами иллюстрирует основу или каркас почвы. По мере высыхания легко связанная влага может исчезнуть полностью, плёнки влаги могут утончаться, вплоть до полного исчезновения, и пространство между почвенными частицами заполнится воздухом. При этом большинство почвообразующих пород дают усадку, то есть сжимаются блоками разной величины, между которыми образуются более широкие трещины.
Вот этот каркас из частиц почвообразующей породы, смоченных водой, содержащий воздух и является "домом" для всякой почвенной живности. В этом "доме", чтобы он перестал быть почвенным субстратом, и превратился в почву, должны жить корни растений, грибы, микроорганизмы, черви, насекомые, грызуны и прочие видимые и невидимые глазу живые организмы. Деятельность живых организмов самого разнообразного состава, которые копают, сверлят, грызут почву, передвигаются и перетаскивают растительные остатки с её поверхности вглубь, поедают, переваривают отмершие корни и способствуют насыщению почвенного слоя органическими веществами и продуктами их распада, делают почву пористой, а самое главное - плодородной!
Деятельность "населения" этого "дома" способствует улучшению водных свойств почвообразующей породы. Это проявляется в том, что практически водонепроницаемые глинистые прослойки "население" почвы делает хорошо проницаемыми, рыхлые песчаные склеивает гумусом, чтобы не мешать притоку воздуха, в общем, приспосабливает для своих нужд.
Исследованиями установлено, с какой силой удерживаются на почвенных частицах плёнки влаги разной толщины. Чтобы яснее представить, насколько сильно удерживаются разные, описанные выше, категории почвенной влаги на почвенных частицах, посмотрим на следующий график. На нем показана относительная доступность влаги в зависимости от удалённости её слоёв от почвенной частицы.
Самый первый слой влаги, контактирующий с почвенными частицами, удерживается колоссальным давлением в 2300 ат! Это давление столба воды высотой 23 км! Пятый слой удерживается давлением в 40 ат (400 м вод. ст.) - прочно связанная сорбционная влага, и лишь слои после шестого (менее 10 атм. - слабосвязанная плёночная влага) становятся доступными для растений. Установлено, что растения способны всасывать своими корнями влагу, удерживаемую почвой с давлением ниже -14…-16 атм. А при значениях выше - растения погибают от "жажды".

график давления воды в слоях.jpg


Влажность почвыхарактеризует содержание воды в почве. Агрономическая наука оперирует двумя понятиями влажности почвы (В):


- массовая влажность – отношение массы воды, содержащейся в почве, к массе сухой почвы:


- объемная влажность – отношение объема воды, содержащейся в единице объема почвы к объему почвы:


Наиболее часто на практике применяется показатель объемной влажности.
В агрономической литературе, до того как были установлены значения давления разных категорий влаги по её доступности для растений, их было принято обозначать терминами, показанными на следующем рисунке, где также дано численное значение объемной влажности (в % от объёма почвы). Приводим их для того, чтобы можно было понять, что они обозначали бы в физических единицах.
Значения влажности для разных категорий почвенной влаги в субстратах разного гранулометрического состава

влажность субстратов


Здесь:
- ПВ - полная влагоёмкость - влажность почвы при полностью заполненных водой порах
- НВ или ППВ - наименьшая ("полевая") влагоёмкость - влага, удерживаемая почвой без стекания
- ВЗР - влажность замедления роста, иногда употребляется еще более неопределённый термин - влажность разрыва капилляров (ВРК)
- ВЗ - влажность завядания растений - влажность, ниже которой растение уже не может восстановиться после полива
- МГ - максимальная гигроскопическая влага - определяется в стандартных лабораторных условиях при длительном насыщении влагой над раствором серной кислоты, поскольку в природе её величина связана с относительной влажностью воздуха, которая не бывает постоянной.

На рисунке показано, какое значение влажности в долях от объёма почвы соответствует той или иной категории влаги по доступности растениям для разных субстратов.
 
Сравним важные "константы", определяющие срок желательного очередного полива: ВЗР - влажность замедления роста, которая на песчаных субстратах составляет 5 %, а на легкоглинистых - достигает 30 %. Сравнение показывает, что сами по себе эти категории не могут быть интерпретированы правильно, без указания, к какой конкретно почве они относятся

  • Теперь становится понятно, что для растения важно не объёмное содержание влаги в корнеобитаемой (лучше сказать, в корнедосягаемой!) зоне, а её доступность!
  • Изучая закономерности движения воды в различных субстратах, ученые пришли к выводу, что главная сила, благодаря которой вся свободная, то есть, не связанная с почвенными частицами, влага движется в почве - это сила тяжести
  • Рыхло связанная вода в капиллярных порах передвигается уже силами поверхностного натяжения, а прочно связанная влага перетекает (переползает) от толстых плёнок к тонким, и для этих категорий влаги сила тяжести, из-за своей относительной малости, почти не играет никакой роли. Самая прочносвязанная влага практически неподвижна и может передвигаться только после того, как перейдёт в парообразное состояние