Гранулометрического состава, структурного состояния и плотности почвы.

Песчаные почвы более водопроницаемы, чем суглинистые и глинистые, хотя суммарная пористость у песчаных почв значительно меньше, чем у глинистых, но зато поры у них крупнее (пористость песчаных почв может быть около 30% объема почвы, у глинистых – более 50%).

В тяжелых по гранулометрическому составу почвах уровень водопроницаемости зависит от их плотности и структурного состояния. Рыхлые хорошо оструктуренные почвы характеризуются более высокой водопроницаемостью по сравнению с плотными, бесструктурными почвами.

3. Состава поглощенных катионов.Почвы, насыщенные катионами Nа⁺ при увлажнении сильно набухают и становятся для воды почти непроницаемы.

4. Влажности почвы. Чем влажнее почва, тем меньше ее водопроницаемость.

5. Приемов обработки почвы (вспашка, боронование, культивация). Все приемы обработки почвы, направленные на рыхление верхнего слоя почвы и сопровождающиеся увеличением размера макроагрегатных пор, способствуют увеличению водопроницаемости. Плужная подошва снижает водопроницаемость. Наличие в почве трещин, ходов роющих животных, корней растений увеличивает свободное просачивание воды вниз.

В процессе водопроницаемости различают три фазы:

1) впитывание;

2) промачивание;

Фильтрация.

Первые две фазы Н. А. Качинский объединил в понятие впитывания воды почвой. Скорость впитывания выражается коэффициентом впитывания.

Впитывание – это заполнение движущейся водой свободных пор почвы. Впитывание происходит под влиянием сорбционных сил (поверхностного притяжения воды почвенными частицами), менисковых сил (капиллярных явлений) и силы тяжести, поэтому процесс впитывания воды в почву вначале выражается поглощением воды почвой, насыщением и передвижением ее в виде пленочного, затем капиллярного и, наконец гравитационного потока. Впитывающаяся в почву вода движется вертикально вниз, а также растекается во все стороны.

При впитывании свойства почвы заметно изменяются. Иногда наблюдается некоторое разрушение структуры, почва намокает и частично набухает, изменяется ее объем; глинистая почва может впитывать до 100% воды по объему и более, еще больше впитывает торфяная почва.

Пылеобразные пески при насыщении водой становятся плывунами и подвижными, как вода, в результате окружения мелких зерен песка водной оболочкой. Но в этом случае песок не набухает, а разбухает и становится плывучей массой.

Впитывание воды в почву – явление динамичное. Оно заметно меняется в процессе почвообразования и, особенно в условиях окультуривания и мелиорации почв.

За скорость впитывания принимают количество воды, впитывающейся через единицу площади поперечного сечения почвы в единицу времени.

υ =

где υ – скорость впитывания;

Q – расход воды в м³;

S – площадь поперечного сечения монолита, в см²;

t – время, в сек.

Величина коэффициента впитывания с течением времени уменьшается. Так, по данным Созыкина (1939 г) коэффициент впитывания за 3 часа уменьшился на песчаной почве в 2 раза, а на тяжелосуглинистой в двадцать раз.

Впитывание воды в почву сопровождается промачиванием или инфильтрацией, которая затем переходит в фильтрацию. Под инфильтрацией понимают неустановившиеся нисходящие движения воды в почве. При скорости поступления воды на поверхность (полив, дожди, таяние снега), превышающей скорость инфильтрации, происходит поверхностный сток воды, неуспевающий просачиваться в глубинные горизонты почвы. При инфильтрации расход воды может непрерывно нарастать. Достигнув своего максимума, он становится относительно постоянным и с этого момента инфильтрация переходит в фильтрацию. Фильтрация начинается с момента, когда все поры заполняются водой и начинается гравитационный сток.

Для оценки водопроницаемости почвы в агрономических и мелиоративных целях используют шкалу Н.А. Качинского (таблица 3).

Таблица 3. Оценка водопроницаемости почв тяжелого гранулометрического состава (по Качинскому) (напор воды Н = 5 см при температуре 10⁰С)

Фильтрация– это непрерывное движение воды в переувлажненной почве под влиянием напора и силы тяжести. Она зависит от гранулометрического, минералогического и химического состава, структурного состояния, плотности, степени увлажнения, культурного состояния почвы.

Фильтрационное движение воды подчиняется закону Дарси и обусловливается разностью напоров воды и длиной пути движения. Скорость движения воды будет тем больше, чем короче путь фильтрации. Расход фильтрующейся воды в почве пропорционален напору и обратно пропорционален длине пути.

Q = КF , обозначив = J, получим Q = КFJ

где Q – расход (объем) воды в см³ в единицу времени, через 1 см² поперечного сечения почвы в 1 сек

К – коэффициент фильтрации в см/сек;

F – площадь поперечного сечения в см²;

Н – падение напора, или разность уровней воды в начале и в конце фильтрации, см;

L – длина пути фильтрации (толщина слоя почвы в см);

J – гидравлический или напорный градиент, уклон.

При напорном равном единице, и площади поперечного сечения, равной 1 см², скорость фильтрации равна коэффициенту фильтрации.

Коэффициент фильтрации представляет собой скорость движения воды в активных порах и трещинах почвы при гидравлическом градиенте, равном 1. Коэффициент фильтрации с глубиной меняется в зависимости от гранулометрического состава и сложения отдельных горизонтов почвы. Величина коэффициента фильтрации с глубиной, как правило, резко понижается, особенно в слоистых почвогрунтах, в которых водопроницаемые слои чередуются с менее водопроницаемыми. Величина коэффициента фильтрации для различных почв приведена в таблице 4.

Т а б л и ц а 4. Величина коэффициента фильтрации для различных почв

Вопрос 12. Водоподъемная способность - это свойство почвы поднимать воду по капиллярам снизу вверх.

Водоподъемная способность зависит от тех же факторов, которые обуславливают передвижение капиллярной воды, но направление потока воды в данном случае только снизу вверх. Скорость и высота подъема воды (и почвенного раствора) зависят от гранулометрического состава, строения почвы, залегания грунтовых вод, от влажности и температуры почвы, а также от концентрации почвенного раствора, наличия растительности и состояния атмосферы. Чем мельче почвенные частицы (глинистые почвы), тем выше водоподъемная способность. Уплотнение почвы вызывает увеличение высоты поднятия влаги, рыхление и оструктуривание уменьшают, а часто и приостанавливают подъем капиллярной воды. Поэтому рыхление одного лишь поверхностного слоя почвы способствует снижению водоподъемной способности. В целях сбережения почвенной влаги очень важно своевременно провести рыхление почвы, особенно в засушливых районах, где промедление с ранневесенним боронованием на 1-2 дня может привести к потере воды, накопленной за осенне-зимне- весенний период.

Водоподъемная способность повышается также с увеличением влажности почвы, поэтому близкое к поверхности стояние грунтовых вод усиливает этот процесс. Повышение температуры почвы усиливает подъем воды, так как при этом вода становится менее вязкой и более подвижной. Увеличение в почве количества легкорастворимых солей, повышающих плотность воды и вызывающих снижение поверхностного натяжения, уменьшает водоподъемную способность почвы.

На подъем воды в почве оказывает влияние растительность: всасывая растворы, корни растений способствуют подъему воды из нижних горизонтов в верхние. Косвенно на водоподъемную способность почвы оказывает влияние состояние атмосферы (относительная влажность, температура и ветер). Снижение относительной влажности, повышение температуры и наличие ветра, вызывающие иссушение верхнего слоя почвы, способствуют подъему воды из нижних горизонтов.

Высота капиллярного подъема определяется по формуле Жюрена:

где Н – высота поднятия воды, мм;

2А – константа капиллярности воды,

( А – коэффициент поверхностного натяжения),

r – радиус капилляра, мм;

g – ускорение силы тяжести, м/сек;

d – плотность воды при данной температуре г/ см³.

Из формулы вытекает, что вода по капиллярам поднимается тем выше, чем меньше диаметр капилляра и ниже плотность воды.

Однако почва не представляет собой идеальную капиллярную систему, а скорее всего сложнейшую мозаику пор, различных по форме и размерам, часто замкнутых.

Поэтому формула Жюрена для определения величины капиллярного поднятия воды в почве может иметь лишь относительное значение.

Высота подъема воды зависит, прежде всего от гранулометрического состава почвы, возрастая с уменьшением размера почвенных частиц. Например, в капиллярах, сложенных из коллоидных частиц, вода может подняться на десятки метров. Однако практически сверх 10 метров вода в почвах подняться не может в связи с действием атмосферного давления.

В природе редко встречаются почвы, сложенные из одинаковых по величине гранулометрических элементов; наряду с илом, в них всегда содержится то или иное количество песка, пыли, а также органические вещества. Поэтому высота капиллярного подъема воды в природных почвах обусловливается количественным содержанием частиц разной крупности, т.е. гранулометрическим составом почвы в целом.

Большое влияние на высоту подъема воды в иловатых почвах оказывает трение воды о стенки капилляров. Дело в том, что вместе с уменьшением размеров частиц, и следовательно диаметра капилляра, возрастает отношение поверхности частиц к их объему, а вместе с тем растет и трение воды о стенки капилляра. При этом сила трения в известных случаях может преодолевать действие менисковых сил и поднятия воды может не происходить.

Так как высота подъема воды в почве зависит от величины капиллярных промежутков, то, очевидно, большее или меньшее уплотнение почвы должно отразиться и на капиллярности. С уплотнением почвы высота капиллярного подъема возрастает, но до известного предела. При очень сильном уплотнении подъем воды уменьшается за счет трения о стенки капилляров.

Следующим фактором, оказывающим большое влияние на капиллярность, является размер агрегатов. Влияние этого фактора настолько велико, что он может парализовать значение всех остальных.

В лабораторных опытах Вольни получены следующие данные высоты капиллярного поднятия в почвах различного структурного состава (таблица 5).

Т а б л и ц а 5. Высота капиллярного поднятия воды в почвах различного