Регулювання водного режиму ґрунту

Водний режим ґрунту.

Водний баланс ґрунту.

Водні властивості ґрунту.

Категорії, форми, види води в ґрунті.

План

Тема: ВОДНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТУ

1. Категорії, форми, види води в ґрунті.

Ґрунт як багатофазна, полідисперсна система завжди вміщує вологу. Її кількість в % до маси ґрунту, висушеного при 105^оС, характеризує його вологість, яку можна виражати також у % від об’єму ґрунту, в % до натуральної наважки, в мм.

Вода в ґрунті є найважливішим ґрунтогенним, екологічним, біопродукційним, меліоративним, агрономічним чинником. Вона визначає перебіг процесів вивітрювання, які передують ґрунтогенезу – гідроліз, гідратацію, вилуговування, а в подальшому – заболочування (оглеєння), засолення, осолодіння, елювіювання та багато інших, можливих лише за участю вологи. Вода бере активну участь у формуванні генетичних горизонтів, усіх ґрунтово-екологічних режимів і властивостей ґрунту. Із ґрунтовою вологою пов’язані процеси виносу, переміщення й акумуляції в ґрунтовому профілі всіх речовин, великий і малий кругообіги елементів здійснюються тільки за наявністю ґрунтової вологи.

Вода є незамінним джерелом живлення коренів рослин, головною передумовою їх (та інших численних організмів, що живуть у ґрунті) нормального розвитку і функціонування. Рослинам (від набрякання і проростання насінин до формування кореневої системи, генеративних органів і кінцевої продукції) потрібна величезна кількість вологи – від 200 до 1000 г для створення 1 г сухої речовини. Звідси легко підрахувати, скільки води потрібно для транспірації люцерні чи конюшині (високовимогливих до вологи культур), щоб сформувати навіть невеликий урожай. Транспірація за розвинутої листової поверхні вимагає великих витрат не тільки вологи, але й енергії, приводячи до охолодження рослин. При цьому підвищується концентрація клітинного соку (осмотичний тиск), що, як могутній насос, забезпечує безупинне надходження вологи з ґрунту до коренів рослин. Поживні елементи також ефективно використовуються рослинами лише при їх достатньому вологозабезпеченні. Залежним від вологи є й процес нітрифікації і азотне живлення рослин, прив’язане до мікробно-біохімічних трансформацій і ферментативної діяльності, нормальний перебіг яких зумовлюється оптимальною вологістю ґрунту. Якщо при цьому врахувати, що і фізичні властивості стають сприятливими тільки при цілком певному діапазоні зволоження (за його межами ґрунт узагалі не піддається обробітку), то стає зрозумілим, наскільки важливим фактором родючості є волога, без якої реалізація всіх інших факторів родючості (у тому числі й трофності) унеможливлюється.

Вода, як терморегулятор з високою теплотою пароутворення, захищає поверхню ґрунту від перегріву за умов високої сонячної радіації, що стає екологічно значимим у найбільш жаркі літні місяці. Навпаки, при замерзанні вологи теплота, виділена при цьому, підсилює термостатичну дію, тому що при утворенні криги вивільняється, а при її плавленні поглинається багато тепла. Загалом, вміст і якість вологи в ґрунті, її сезонна і річна динаміка є найважливішою діагностичною ознакою інтенсивності й спрямованості ґрунтогенезу, рівня набутої при цьому родючості ґрунтів, їх придатності для різних видів використання. Пізнання закономірностей поведінки ґрунтової вологи, управління водними властивостями є найважливішою передумовою оптимізації водного режиму ґрунтів, отримання високих, стабільних, екологічно чистих урожаїв сільськогосподарських культур, що особливо актуалізується за нинішніх поліваріантних умов господарювання на етапі земельної реформи.

Основи теорії водного режиму ґрунтів були закладені А.А. Ізмаїльським, Г.М. Висоцьким, П.С. Коссовичем, а в подальшому їх водні властивості поглиблено вивчали А.Ф. Лебедєв, С.І. Долгов, А.А. Роде, Н.А. Качинський та багато інших вчених.

Ґрунтова волога представлена трьома категоріями – твердою, рідкою і пароподібною.

Тверда волога з’являється в ґрунті при від’ємній температурі у вигляді крижаних прошарків, лінз, зерен, найтонших кристалів між агрегатами та у великих капілярах. Міцно зв’язаною вважається вода, що міститься в тонких порах, на поверхні чи усередині кристалів і колоїдів. Вона має підвищену в’язкість і пружність, не здатна рухатися, не замерзає навіть при ‑78^оС. Лід значно зміцнює ґрунти, які після розтавання різко знижують свій опір навантаженням. Твердою є і хімічно зв’язана (конституційна) вода з її дуже міцним зв’язком з речовинами ґрунту – півтораоксидами, глинистими мінералами, кристалами гіпсу та мірабіліту (кристалізаційна вода), органічними й іншими сполуками як їх складова частка, абсолютно недоступна рослинам й нерухлива. Зміна цього стану стає можливою лише в результаті сильних і тривалих впливів (наприклад, дегідратації), при яких відбуваються необоротні трансформації згаданих мінеральних, органічних і органо-мінеральних сполук.

Пароподібна вода міститься у великих пустотах і легко переміщується внаслідок термодифузії з місць більшої її пружності до меншої. Із зниженням температури пароподібна волога зріджується (конденсується).

Рідка волога поділяється за своєю рухливістю, спричиненою ступенем міцності зв’язку з твердою фазою ґрунту, на міцно- (хімічно-зв’язану) та слабозв’язану (фізично-зв’язану), капілярну й гравітаційну (вільну). Міцнозв’язаною є гігроскопічна вода, сорбована з водяних парів повітря на колосальних поверхнях дрібнодисперсних фазах ґрунту, покриває їх плівками в 1 ‑ 3 молекули. Кількість гігроскопічної вологи (ГВ) залежить від величини відносної вологості повітря (ГВ ґрунту і вологість повітря перебуває в квазірівноважному стані) і поверхневої енергії ґрунтових часток. Остання, в свою чергу, визначається мірою дисперсності і характером кристалічних решіток і, на відміну від хімічно зв’язаної, може пересуватися в ґрунті у вигляді парів при зміні температури і відповідній зміні відносної вологості повітря.

Слабозв’язана (плівкова) волога утворюється в ґрунті після повного його насичення пароподібною і частково сконденсованою вологою. Це рідка форма вологи, що покриває дрібнодисперсні поверхні багатошаровими плівками. Вона утримується в ґрунті за рахунок спільної дії дисперсійних і частково іонно-електростатичних сил, що обумовлюють існування суцільної плівки довкола часток, а також меніскових сил на стиках ґрунтових часток. За невеликого вмісту слабозв’язана вода має підвищену в’язкість і знижену діелектричну проникність, перебуваючи під сильною дією поверхневих сил. Вона є малорухомою, а отже, майже недоступною рослинам.

Потовщення плівок, збільшення поверхні, злиття менісків спонукає рідку вологу поступово заповнювати спочатку тонкі, а потім і більші пори. У цьому стані в ґрунті домінує капілярна волога, утримувана менісковими (капілярними) силами. Через те, що при цьому дія поверхневих сил слабшає і зникає зовсім (їх дія у просторі ґрунту залежить від розміру елементарних ґрунтових часток – чим вони дрібніші, тим більша кривизна плівки і тим сильніше зв'язок вологи з мінеральною частиною ґрунту), така волога набуває помітної рухливості, стаючи при цьому все доступнішою для рослин. Капілярні сили діють, якщо плівки мають кривизну. При її зникненні волога заповнює більші пустоти (шпари, пори до 3 мм у діаметрі), стаючи найбільш рухливою (підкоряється лише дії гравітаційних сил – вільна чи гравітаційна волога).

Таким чином, у ґрунті є тверда, рідка і пароподібна категорії води та її гігроскопічна, плівкова, капілярна, гравітаційна форми, які розрізнюються властивостями, утримуючими силами, рухливістю, доступністю для рослин.

Хімічно-зв'язана вода входить до складу мінералів грунту. Кількість її переважно незначна, але іноді сягає 5-7 %. До деякої міри ця вода служить показником ступеня вивітрювання порід. Вона у ґрунті не бере безпосередньої участі у фізичних процесах і не випаровується при температурі 100°С. Хімічно-зв'язана вода у свою чергу поділяється на конституційну і кристалізаційиу. Перша є компонентом хімічного складу мінералів, наприклад: AI₂(OH)₄*(Si₂O₂) – каолініт, Конституційна вода хімічно зв'язана з мінералами і виділяється при високих температурах, а кристалізаційна вода виділяється при більш низьких температурах і переходить у розчин під час розчинення солей.

Фізично-зв'язана вода — це вода, яка втримується на поверхні ґрунтових частинок за рахунок молекулярного взаємопритягання між: молекулами води і ґрунтом. Ця вода поділяється на міцнозв'язану (гігроскопічну) і слабозв'язану (плівкову). Гігроскопічна вода – та, що поглинута поверхнею ґрунтових частинок, а плівкова – втримується молекулярними силами навколо твердих часток ґрунту.

Вода у твердому стані представлена льодом, який утворюється під час замерзання рідкої води.

Пароподібна вода — це вода, яка міститься у ґрунтовому повітрі у формі водяної пари. Як і повітря, вона міститься у ґрунті під час будь-якого його зволоження, займаючи шпари, які вільні від крапельно-рідинної води. Ця вода має велике значення у перерозподілі вологи у ґрунтовій товщі. При однаковій температурі ґрунту пароподібна вода переміщується із місць більш насичених парою води до місць менш насичених.

Капілярна вода — це вода, яка міститься у капілярних (менше 0,01 мм) шпарах ґрунту і втримується силою водних менісків. Розрізняють такі форми капілярної води: стикову, фунікулярну, підвішену, підперту, рухому.

Стикова (кутова, пендулярна) – це капілярна вода, яка втримується у місцях зіткнення ґрунтових частинок і в кутах шпар. Вона переважає у легких ґрунтах і доступна тільки рослинам, корені яких підходять безпосередньо до неї. Фунікулярна вода, на відміну від стикової, може переміщуватись на більшу відстань. Вона доступніша рослинам. Підвішена вода локалізується в окремих діляках ґрунту і міцно втримується у них завдяки дії меніскових сил, які перевищують силу тяжіння. Така вода, наприклад, утримується всередині структурних агрегатів і в їх групі. Вона з ґрунтовими водами не пов'язана. Підперта вода нагромаджується над напівпроникним горизонтом або над поверхнею вільної води під час утворення так званої капілярної облямівки. Підперта вода над водоутримувачем може виникати через недостатню інфільтрацію, яка не забезпечує повної капілярної облямівки або під час інтенсивної втрати запасу вільної води через випаровування, відтікання та ін. Рухома, або власне капілярна, вода – це вода, яка заповнює повністю капілярні шпари. Це легкорухома вода, яка залежно від основного напряму руху може бути висхідною і низхідною. Вона легко-доступна для рослин і є найбільш продуктивною.

Гравітаційна вода — це вода, яка відносно вільно рухається у ґрунті по великих шпарах під впливом сили тяжіння. Ця вода у грунті виявляється після дощу, поливів, танення снігу і ґрунтової мерзлоти. а також може виникати за рахунок деякої частини капілярної, яка звільняється з-під впливу меніскових сил, що втримують її. Гравітаційна вода доступна для рослин, але використання її дуже обмежене внаслідок великої рухомості. Вона відносно швидко проникає через ґрунт, надходить у водоносний горизонт, де заповнює всі шпари і зосереджується у вигляді ґрунтової води.

Ґрунтова вода — це вертикальний стовп води (водяна колонка) у ґрунтах однорідного гранулометричного складу, який своєю основою впирається у водоносний горизонт. Для сільсько господарського виробництва велике значення має мінералізація і глибина залягання ґрунтових вод. Мінералізація ґрунтових вод, як і ґрунтових розчинів, зростає з півночі на південь. За цією ознакою ґрунтові води поділяють на прісні із щільним осадом до 1 г в л, солонуваті – 1-10 г, солоні – 10-50 г і розсоли – більше 50 г в 1 я.

У степових районах України за слабкої мінералізації ґрунтових вод оптимальна глибина їх залягання становить 1,2-2 м. За умов такої глибини ґрунт не пересихає і може безперебійно постачати рослини водою.

Рівень ґрунтових вод залежить від зміни гідрологічних, погодних, сезонних та інших умов. Чим сухіший клімат, тим глибше містяться ґрунтові води, і навпаки.

Рівень ґрунтових вод знижується у випадку пониження базису ерозії, і навпаки, піднімається з його підвищенням.

2. Водні властивості ґрунту

Кожному типу ґрунту характерні різні водні або водно-фізичні властивості, до яких належать: вологоємність, водопідіймальна здатність і водопроникність.

Вологоємність — це здатність ґрунту вміщувати й утримувати у собі певну кількість води. Розрізняють декілька видів вологоємкості: максимаяьногігроскопічпу, капілярну, повну і польову.

¨ Максимальногігроскопічною вологоємністю називають найбільшу кількість вологи, яку може утримати грунт за умови повного насичення повітря парою (за відносної вологості 94%). Величина її залежить від дисперсності ґрунту і вмісту в ньому гумусу.

¨ Капілярна вологоємність – це кількість вологи у ґрунті, яка заповнює капіляри у випадку неглибокого залягання підґрунтових вод, тобто коли є так звана підперта вода.

¨ Повна, або найбільша, вологоємність – це кількість вологи, яку може утримувати ґрунт, якщо нею будуть заповнені всі його пори – як капілярні, так і некапілярні. Вона характеризує максимальну вологоємність ґрунту.

¨ Польова вологоємність – кількість води, яку може увібрати й утримувати ґрунт після стікання гравітаційної води під час змочування ґрунту зверху, якщо усунено випаровування і підґрунтові води містяться глибоко.

На величину вологоємності кожного ґрунту впливають головним чином гранулометричний склад, структурність ґрунту і вміст у ньому органічної речовини.

Водопіднімальна здатність ґрунту – це здатність ґрунту піднімати воду по найменших порах (капілярах). Висота підняття води по капілярах у ґрунті залежить від його гранулометричного складу: чим дрібніші механічні частинки ґрунту, тим повільніше, але вище, підіймається вода. Зокрема, максимальна висота капілярного підняття для піщаних ґрунтів – 0,5-0,8 м, а для суглинклових – 3,5м. Завдяки капілярним явищам і водопідіймальній здатності ґрунту по-різному відбуваються процеси ґрунтоутворення, і ґрунт набуває цінних властивостей.

Водопідіймальна здатність, з одного боку, є позитивним чинником, оскільки забезпечує водою кореневу систему рослин, особливо тоді, коли корені не досягають ґрунтової води. З другого боку, збільшуючи випаровування води, водопідіймальна здатність призводить до висушування ґрунту.

Водопроникність ґрунту — це його здатність пропускати атмосферні опади у глибші горизонти.

Процес проникнення вільної води у ґрунт обумовлюється вбиранням її ґрунтом, що здійснюється силами капілярного тяжіння.

Залежно від швидкості проникнення води у ґрунт на першу годину умовно розрізняють ґрунти добреводопроникні (понад 150 мм), середньоводопроникні (50-150 мм) і слабоводопроникні (менше 50 мм).

Водопроникність залежить від гранулометричного складу ґрунту, його структури та стану зволоження. Наприклад, кращою водопроникністю характеризуються ґрунти легкого гранулометричного складу, структурні та слабо зволожені.

Дуже погіршується водопроникність ґрунтів за наявності в них колоїдів, насичених Na* і Mg**. Під час зволоження такі ґрунти швидко набухають і стають практично водонепроникними.

Унаслідок поганої водопроникності на поверхні ґрунту або у верхній його частині відбувається перезволоження. Це викликає випрівання і вимокання посівів, а також пригнічує діяльність мікроорганізмів, які розкладають органічні залишки. В результаті погіршуються повітряний і поживний режими ґрунту.

Основними засобами підвищення водопроникності важких за гранулометричним складом ґрунтів є розпушення орного і підорного шарів, оструктурення ґрунтів, а також зміна їх гранулометричного складу шляхом піскування (внесення піску). Для зменшення водопроникності у піщані та супіщані ґрунти вносять глину або торф.

У виробничих умовах необхідно знати забезпеченість рослин водою у певний момент і на який час її вистачить рослинам. Загальний запас води у ґрунтах можна обчислити за такою формулою

ЗЗВ = (ПВ*ЩС+ТГ)/10

де ЗЗВ – загальний запас води у ґрунті, мм; ВГ – польова вологість ґрунту, %; ЩС – щільність складення ґрунту, г/см³; ТГ – товщина

Важливим агрономічним показнинком вологості ґрунту є її доступність для рослин. Витрати води із ґрунту рослинами характеризуються транспіраційним коефіцієнтом і відносною транспірацією

Траспіраційний коефіцієнт – це відношення кількості води, витраченої рослиною, до загального приросту сухої речовини за відповідний проміжок часу. Відносна транспірація – відношення фактичної транспірацїі за певної вологоємності до потенційної транспірації під час вільного доступу води. Для більшості культурних рослин транспіраційний коефіцієнт коливається у межах 400-600, сягаючи іноді 1000, тобто на створення 1т і більше води з ґрунту.

За доступністю для рослин вода поділяється на такі категорії (рис, 5.2.)

I. Недоступна для рослин – вся міцнозв’язана вода, яка становить у ґрунті мертвий запас води і приблизно відповідає максимально адсорбованій вологоємності або дещо перевищує її.

II. Дуже важкодоступна для рослин – представлена переважно слабозв'язаною або плівковою водою. Кількість цієї важкодоступної води у ґрунтах характеризується діапазоном вологості від максимально адсорбованої вологоємності до вологості в'янення. Вміст води у ґрунті, що відповідає вологості в'янення, є нижньою межею продуктивної вологи ґрунту.

III. Важкодоступна вода перебуває у межах між вологістю в 'янення і вологістю розриву капілярів. У цьому інтервалі вологості рослини можуть існувати, але продуктивність їх знижується.

IV. Середньодоступна вода відповідає діапазону вологості від вологості розриву капілярів до найменшої вологоємності. У цьому інтервалі вода дуже рухома, і тому рослини можуть її постійно використовувати.

V. Легкодоступна вода переходить у надлишкову і відповідає діапазону вологості від найменшої до повної вологоємності.

3. Водний баланс ґрунту

Надходження води у ґрунт та її витрати характеризують воднийбаланс. У сільськогосподарському виробництві його визначають для певної території (площі на відповідний період часу і для певного шару ґрунту переважно для 1 м). Баланс води у ґрунті можна зобразити так:

АО + ППВ = Д + ПС + ВПС + ГС

надходження втрати.

де АО – надходження води з атмосферними опадами, мм;

ППВ – надходження води внаслідок притоку підґрунтових вод, мм;

Д – втрата води з ґрунту внаслідок випаровування, мм;

ПС – втрата води внаслідок поверхневого стоку, мм;

ВПС – втрата води внаслідок внутрішньогрунтового бокового стоку, мм; ГС – втрата води внаслідок ґрунтового стоку, мм.

Водний баланс ґрунту значною мірою залежить від коефіцієнта зволоження – відношення суми опадів до сумарного випаровування за певний період, який визначається за формулою:

КЗ=ССО/ВВ

де КЗ – коефіцієнт зволоження абсолютних одиниць;

ССО – середня багаторічна сума опадів, мм;

ВВ – випаровування води протягом року, мм.

За даними М.І. Іванова, коефіцієнт зволоження для Полісся становить понад 1, для Лісостепу – 0,7-0,9, північного Степу – 0,45-0,7, південного Степу – 0,3-0,5.

4. Водний режим ґрунту

Усі явища, які пов'язані з надходженням, переміщенням, зміною стану і витратами води у ґрунті, характеризують його водний режим.

Вчення про водний режим ґрунту розробили Г.М. Висоцький та А.А. Роде. Вони виділяють такі типи водного режиму ґрунту: мерзлотний, промивний, періодично промивний, непромивний, випітний та іригаційний.

Мерзлотний, або кріогенний, водний режим характерний для районів вічної мерзлоти. У теплу пору року під шаром ґрунту, що відтанув, замерзлий ґрунт не пропускає води у нижні горизонти. Над ним утворюється верховодка, а весь шар ґрунту, що відтанув, часто перезволожується і заболочується.

Промивний, або пермацидний, водний режим трапляється в районах, де коефіцієнт зволоження більший за одиницю і ґрунт щороку промивається атмосферними опадами до ґрунтових вод. Цей тип водного режиму характерний для ґрунтів лісолучної або поліської зони.

Періодично промивний водний режим спостерігається в районах, де ґрунт промивається опадами періодично і лише в ті роки, коли сума опадів перевищує кількість випаровування вологи.

Непромивний, або замкнутий (імпермацидний), тип водного режиму поширений у південних районах України, де товщі ґрунту ніколи не промиваються опадами (опади не досягають ґрунтових вод).

Випітний, або ексудатний. водний режим поширений у районах, де рослини і ґрунт випаровують значно більше вологи, ніж її надходить у вигляді опадів. Цей тип водного режиму трапляєтьтея у степових районах у випадку близького залягання ґрунтових вод, здебільшого у заплавах річок.

Іригаційний т ип водного режиму виникає як наслідок поликів. Характерною його особливістю є багаторазове зволоження ґрунту протягом вегетаційного періоду, яке супроводжується частковим або наскрізним промочуванням кореневмісного шару ґрунту.

Водний режим має велике значення у ґрунтоутворенні. В одних випадках він визначає винесення із верхньої частини профілю різних розчинених у воді сполук і тим самим сприяє підзолоутворенню. В інших умовах мінеральні солі, розчинені у ґрунтових водах, піднімаються і накопичуються у верхній частині профілю, утворюючи солончаки. У випадку близького залягання ґрунтових вод або перезволоження верхньої частини профілю атмосферними опадами відбувається заболочування ґрунту та ін. Надлишок вологи або нестача її негативно позначається на рості і розвитку рослин.

5. Регулювання водного режиму ґрунту

У виробничих умовах водний режим ґрунту переважно регулюється агротехнічними або меліоративними заходами.

В основі агротехнічних заходів регулювання водного режиму насамперед лежить застосування таких обробітків ґрунту, які би збільшували вбирання вологи і зменшували б її випаровування. Це стосується створення глибокого орного шару, вирівнювання поверхні ґрунту, лущення стерні та безполичний обробіток із залишенням стерні на поверхні, протиерозійні методи обробітку ґрунту (щілювання, лункування, переривчасте борознування, комбінована оранка тощо).

Для зменшення непродуктивних витрат вологи велике значення має боротьба з бур'янами, які часто забирають більше вологи з ґрунту, ніж культурні рослини. Вміле поєднання механічних і хімічних заходів знищення бур'янів дає можливість значно ліквідувати забур'яненість полів, що забезпечує 30-50 % вологи.

Чергування культур у сівозміни, які потребують багато вологи, з такими, що потребують її менше, а також запровадження чистого пару забезпечують найраціональніше використання вологи у посушливих умовах.

У південних лісостепових і степових районах України велике значення для збереження вологи мають полезахисні насадження – лісосмуги, насадження на крутих схилах, навколо ярів і балок. Вони сприяють рівномірному розподілу снігу, зменшують його здування з полів, регулюють танення і стікання талих вод, зменшують силу вітру, особливо суховіїв. У суху, жарку погоду на полях, захищених лісосмугами, створюється особливий мікроклімат, за умов якого відносна вологість повітря дещо вища, а температура і сила вітру менші, ніж на полях без лісосмуг.

Максимальному використанню опадів, збільшенню запасів вологи у ґрунті сприяє також снігозатримання. Для цього використовують спеціальні снігові плуги, розставляють щити, висівають кулісні рослини (кукурудзу, соняшник, гірчицю білу тощо).

Кращі умови нагромадження, збереження і витрачання води створюються у процесі раціонального застосування органічних та мінеральних добрив, вапнування кислих і гіпсування солонцюватих ґрунтів, а також осушення перзволожених та зрошення пересушених ґрунтів.

Дата добавления: 2014-01-11