Текст книги "Мелиорация почв"

2 Водные ресурсы Земли и основные понятия почвенной гидрологии

2.1 Водные ресурсы Земли и их формирование

Общий объем воды на земном шаре составляет около 1338 млн. км³. Основной ее запас (96,5 %) находится в Мировом океане. В жизни человека наибольшую ценность представляют пресные воды. Ледники и постоянный снежный покров содержат 24,1 млн. км³ пресной воды, т. е. около 69 % общих ее запасов. Свыше 50 % (10,5 млн. км³) пресной воды сосредоточено в почвогрунтах (подземные воды). Пресные озера России содержат около 28 тыс. км³ воды, из них 25 тыс. км³ – в озере Байкал. Вода в болотах составляет около 12 тыс. км³, или 0,03 % запаса пресных вод. Годовой сток рек нашей страны составляет 4720 км³ в год. В руслах рек России единовременно находится около 500 км³ воды. Вода в природе под влиянием солнечной радиации, вызывающей испарение, и силы земного притяжения совершает непрерывный круговорот (влагооборот) между гидросферой, почвой и атмосферой. Водяной пар поступает в атмосферу в результате испарения с водной поверхности и поверхности почвы, растительности, снежного и ледяного покрова, а также вследствие транспирации. В атмосфере непрерывно протекают процессы конденсации и сублимации водяного пара, образование облаков и перенос их воздушными массами. Из облаков при определенных условиях выпадает на поверхность земли вода в виде жидких (дождь) или твердых (снег) осадков.

Различают два типа влагооборота – большой и малый. Большой, или мировой, влагооборот захватывает обширные пространства, когда водяной пар, поднявшийся с поверхности океанов, переносится воздушными потоками на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока.

Малый влагооборот происходит на меньших пространствах и бывает океанический, когда водяной пар, образовавшийся при испарении воды с поверхности океанов, снова выпадает в виде осадков в океан, и внутриконтинентальный, когда влага, испарившаяся с поверхности суши, вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

Испарение с поверхности земного шара составляет в среднем за год 577 тыс. км³ воды. Из этого объема 505 тыс. км³ приходится на Мировой океан и 72 тыс. км³ – на сушу. Воздушными потоками на сушу переносится и стекает обратно в океан 47 тыс. км³ воды. Из этого объема реками выносится в океан 45 тыс. км³, поступает в океан в виде стока грунтовых вод 2 тыс. км³. Если распределить этот объем воды равномерно по поверхности суши, получится слой осадков, равный 515 мм.

Единовременно объемы воды в руслах рек мира почти полностью заменяются в среднем за 16 дней. Воды озер в среднем возобновляются в течение 17 лет, изменяясь от нескольких лет (для малых озер в засушливых областях) до нескольких сотен лет. В озерах ежегодно возобновляется в среднем от 1 % до 2 % воды от их объема. В водном балансе нашей страны приход влаги с осадками составляет 11 700, испарение – 7340, сток – 4360 км³.

Соотношение прихода и расхода влаги за определенный интервал времени называется водным балансом. Его принято выражать уравнением, которое составляют для определенного участка территории: бассейна, реки, страны, материка или земного шара в целом. Под бассейном понимается часть земной поверхности, включая и толщу почвогрунтов, откуда происходит сток воды в определенную реку, речную систему или озеро. Синонимом понятия «бассейн» является понятие «водосборная площадь».

Составляя уравнение водного баланса за ограниченный период (месяц, год), необходимо учитывать изменение запасов влаги в бассейне (снежном покрове, почве, поймах рек и пр.). Величина этих изменений в многоводные годы может быть положительной, а в маловодные – отрицательной. Следует учитывать и подземный водообмен с соседними бассейнами. С учетом сказанного, уравнением водного баланса будет

O = C + E ± ΔW ± ΔU, (1)

где O – осадки;

С – сток;

Е – испарение (суммарное);

ΔW – изменение запасов влаги в бассейне;

ΔU – подземный водообмен с прилегающими участками.

Уравнение водного баланса позволяет установить степень обводненности территории, выявить избыток или недостаток влаги. Если приходная часть водного баланса превышает расходную, то наблюдается избыток влаги и требуется осушение территории, если расходная часть больше приходной, то требуется орошение.

Средние многолетние значения составляющих уравнения водного баланса (элементов водного баланса), которые при увеличении длительности периода наблюдений существенно не меняются, называются нормой гидрологических величин (норма осадков, норма стока, норма испарения).

2.2 Формы почвенной влаги и почвенно-гидрологические константы

Роль почвенной влаги в почвообразовании исключительно велика. Не менее важное значение имеет почвенная влага как фактор плодородия почв, а отсюда и как фактор сельскохозяйственного производства. Исходя из этого, вытекает весьма важная задача мелиорации – регулирование водного режима и водного баланса почв.

Проведение гидротехнических мелиорации (орошение, осушение, двустороннее регулирование водного режима) всегда должно увязываться с содержанием и доступностью влаги в почве, т.е. обусловливаться степенью ее связи с почвой, количественным и качественным соотношением различных ее форм. Поэтому четкое представление о формах воды в почве, границах отдельных ее категорий, в пределах которых вода обладает одинаковыми свойствами, важно не только в теоретическом плане, но и в практическом отношении.

В почве вода находится в различных состояниях и формах, а следовательно, обладает различной степенью доступности для растений.

Согласно взглядам А.А. Роде, наиболее полно обобщившим все предыдущие исследования по этому вопросу, различают следующие категории (формы) почвенной воды:

1) Химически связанная:

а) конституционная;

б) кристаллизационная;

2) Парообразная вода;

3) Физически связанная или сорбированная вода:

а) прочносвязанная вода;

б) рыхлосвязанная (пленочная) вода;

4) Свободная вода:

а) Капиллярная вода:

– капиллярно-подвешенная;

– капиллярно-подпертая;

– капиллярно-посаженная (подперто-подвешенная вода);

б) Гравитационная вода:

– просачивающая;

– грунтовая;

5) Твердая вода – лед.

Химически связанная вода находится в почве в составе гидратных минеральных, органоминеральных и органических веществ. Ее количество невелико и лишь иногда может достигать от 5 % до 12 %, что указывает на значительное содержание в почве выветривающихся силикатов и алюмосиликатов. Эта вода подразделяется на конституционную и кристаллизационную, объединяемых иногда общим понятием гидратной или кристаллогидратной воды.

Конституционная вода является компонентом химического состава минералов, соединений, входя в них в виде гидроксильной группы ОН^– (гидроксиды железа (Fe(OH)₃, лимонит алюминия – Аl(ОН)₃, гиббсит марганца – МnО(ОН), манганит; органоминеральные соединения; глинистые минералы). Выделяется эта вода в интервале высоких температур порядка от 165 °C до 175 °C, а для некоторых фракций воды от 400 °C до 800 °C в зависимости от состава вещества и сопровождается его распадом.

Кристаллизационная вода входит в состав вещества целыми водными молекулами кристаллогидратов (медный купорос – CuSО₄×5H₂О, гипс – CaSО₄×2H₂О, глауберова соль (мирабилит) – Na₂SО₄×10Н₂О и т.д.). Удаляется при нагревании от 100 °C до 200 °C. У гипса, например, первая молекула воды удаляется при 107 °C, а вторая – при 140 °C – 190 °C. Удаление кристаллизационной воды не приводит к распаду вещества, но изменяет физические свойства.

Химически связанная вода (конституционная, кристаллизационная), отличаясь исключительно высокой прочностью связей и полной неподвижностью, не участвует в почвенных процессах и растениям недоступна.

Парообразная вода – это водяной пар порового пространства почвы. Относительная влажность почвенного воздуха почти всегда близка к насыщению ее парами воды, и уже при влажности почвы свыше ее максимальной гигроскопичности практически равна 100 %. Всякое понижение температуры приводит к конденсации парообразной воды и переводу ее в жидкое состояние, повышение температуры приводит к обратному процессу. Передвижение парообразной воды в поровом пространстве почвы обусловливается упругостью пара (от участков с высокой упругостью водяного пара к участкам с более низкой упругостью), а также вместе с током воздуха. Парообразная вода недоступна растениям, но ее наличие в почве важно в том плане, что она препятствует просушиванию корней растений.

Физически связанная вода . Эта категория воды в почве определятся силами поверхностной энергии почвенных частиц. Поскольку ее величина возрастает с увеличением общей суммарной поверхности частиц, то содержание физически связанной воды зависит от размера минеральных элементов, слагающих почву, и наиболее сильно выражена у илистых и коллоидных частиц.

При соприкосновении частиц почвы с водой, молекулы последней притягиваются этими частицами за счет сил сорбции и образуют вокруг них пленку из нескольких слоев молекул воды. Обладая дипольностью (частицы с двумя противоположно заряженными полюсами) молекулы воды притягиваются не только поверхностью почвенных частиц, но и взаимодействуют друг с другом противоположно заряженными полюсами, находясь в строго ориентированным положении. Естественно, что прочность связи молекул воды у поверхности почвенных частиц очень высока, достигая 17 – 37 тыс. атмосфер и значительно снижается по мере удаления от них. Исходя из этого, физически связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода – это вода, которая поглощается почвой из парообразного состояния. Способность почвы сорбировать пары воды из воздуха называется гигроскопичностью, а образуемая при этом влага – гигроскопической влагой (ГВ). Прочносвязанная вода обладает особыми физическими свойствами, приближаясь к твердым телам. Плотность ее достигает от 1,5 г/см³ до 1,8 г/см³, она не замерзает, неподвижна и не доступна растениям.

Предельное количество воды, которое поглощается почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха от 94 % до 98 %, называют максимальной гигроскопической водой (МГ). Это прочносвязанная вода. Осмотическое давление в самом поверхностном слое при насыщении почвы до МГ составляет около 50 атм. Растениям (кроме некоторых солянок, у которых осмотическое давление клеточного сока в корнях может достигать 70 атм) эта вода недоступна.

Гигроскопическая и максимально гигроскопическая влага удаляются из почвы нагреванием до 105 °C.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода . Почва, насыщенная влагой до максимальной гигроскопичности, больше не поглощает парообразную воду, но при соприкосновении с жидкой водой происходит притягивание ее молекул силой ориентированных молекул прочносвязанной воды (ГВ и МГ). Добавочная вода сверх МГ, которая удерживается в почве сорбционными силами жидкой фазы, является водой пленочной или рыхлосвязанной. Находясь в почве как бы в вязкожидкой форме, пленочная вода может, хотя и очень медленно (со скоростью несколько десятков сантиметров в год), передвигаться от почвенных частиц с толстыми водяными пленками к частицам с тонкими пленками. В связи со слабой мобильностью и довольно высоким давлением, которым эта вода удерживается почвой, она очень трудно усваивается растениями и может соответствовать влаге завядания (ВЗ) растений. Верхний предел ВЗ измеряется величинами в пределах 1,2 – 2,5 МГ (в среднем 1,5 МГ) с напряжением влаги (т.е. силами удерживающими воду) в 15 – 20 атм, что практически соответствует сосущей силе корней (14 – 16 (25) атм). При этом следует различать завядание растений временное, легко устранимое и длительное (глубокое), приводящее к гибели растений (<1,2 – 1,5 МГ). Рыхлосвязанную (пленочную) влагу, удерживаемую молекулярными силами ориентированных молекул прочносвязанной воды, очень часто называют максимальной молекулярной влагоемкостью (по А. Ф. Лебедеву).

Свободная вода. Эта категория воды не связана силами притяжения с почвенными частицами и передвигается под действием капиллярных и гравитационных сил и, исходя из этого, выделяют форму капиллярной и форму гравитационной воды.

Капиллярная вода. Ее наличие и распределение в почве находится под влиянием капиллярных (менисковых) сил, которые проявляются в порах от 3 мкм (0,003 мм) до 8 мм.

В порах менее 3 мкм и крупнее 8 мм капиллярные силы не проявляются, поскольку более тонкие поры заняты связанной водой, а в порах крупнее 8 мм отсутствуют менисковые силы. Образование менисковых сил обусловлено тем, что вода, находящаяся в отмеченных поровых пространствах, испытывает одностороннее притяжение лишь со стороны нижерасположенных молекул воды, которые как бы втягивают поверхность воды внутрь, образуя вогнутый мениск, над которым создается разряжение (вакуум), что и способствует подъему столбика воды в капилляре.

По своему физическому состоянию эта вода жидкая, она обладает высокой подвижностью и играет основную роль в водообеспечении растений. Передвигаясь, она транспортирует с собой и питательные вещества почвы.

Различают несколько видов капиллярной воды:

а) капиллярно-подвешенную – отсутствие гидрологической связи с постоянным или временным водоносным горизонтом;

б) капиллярно-подпертую – образуется в почвах в силу близкого залегания грунтовых вод, подпирающих воду в капиллярах и более крупных порах почвы;

в) капиллярно-посаженную – образуется в почве при резкой смене слоев разного гранулометрического состава. На границе раздела этих слоев в силу различных размеров капилляров возникают дополнительные нижние мениски, которые удерживают вышерасположенную капиллярную воду (она как бы «посажена» на эти мениски). Это приводит к повышению влажности на контакте слоев.

Гравитационная вода находится в почве преимущественно в крупных порах и передвигается исключительно под влиянием силы тяжести. Эта жидкая форма воды, обладающая высокой растворяющей способностью и возможностью переносить в растворенном состоянии соли, коллоидные растворы и т.д. Эта вода легко доступна для растений (ее осмотическое давление менее 0,5 атм), в случае проточности грунтовой воды она может быть источником их нормального водного питания.

Твердая вода – лед является потенциальным источником жидкой и парообразной воды при его таянии. Превращение воды в лед при пониженных температурах играет большую роль в почвообразовательных процессах (структурообразование, наличие временных и постоянных водоупоров и т.д.). Различные категории воды в почве имеют неодинаковые точки замерзания. Так, свободная вода в незасоленной почве замерзает при отрицательных температурах, близких к 0 °C, капиллярная вода – до десятков градусов, а прочносвязанная (МГ) не замерзает и при -78 °C. Лед является особой разновидностью свободной воды. Рассмотренные ранее категории (формы) почвенной воды довольно условны, тем не менее можно выделить интервалы влажности, в пределах которых какая-то часть влаги обладает одинаковыми свойствами и степенью ее доступности для растений. Границы значений влажности, характеризующие пределы появления различных категорий и форм почвенной влаги, называются почвенно-гидрологическими константами. А.А. Роде рассматривает их как точки на шкале влажности почвы, при которых количественные изменения в подвижности влаги переходят в ее качественные отличия. Выделяют пять основных почвенно-гидрологических констант, которые широко применяются в агрономической и мелиоративной практике:

1) максимальная гигроскопичность (МГ);

2) влажность завядания (ВЗ);

3) влажность разрыва капилляров (ВРК);

4) наименьшая влагоемкость (НВ);

5) полная влагоемкость (ПВ).

Максимальная гигроскопическая влажность (МГ). По ее величине определяют влажность завядания растений – нижний предел физиологически доступной для растений воды. Как уже отмечалось выше, для расчета влажности завядания используют коэффициенты в пределах от 1,2 до 2,5. Величина коэффициента зависит от вида растений и от условий их выращивания. Определение величины максимальной гигроскопической влажности проводят по методу А.В. Николаева, который основан на длительном (20 – 30 дней) поглощении почвенными частицами молекул воды в условиях атмосферы насыщенной водными парами (близко к 100 %) в замкнутом пространстве эксикатора с насыщенным раствором K₂SО₄.

Влажность завядания (ВЗ) – влажность, при которой растения начинают обнаруживать признаки завядания, не исчезающие при перемещении в атмосферу, насыщенную водными парами. Это нижний предел доступной для растений влаги. Величину влажности завядания используют в расчетах для вычисления активной (продуктивной) влаги. Кроме расчетного метода (умножение МГ на 1,5) в лабораторных условиях ее величину определяют методом проростков (вегетационный метод) или обезвоживанием почвы (по В.А. Францессону). Влажность завядания определяется свойствами почв и видом растительности. В песчаных почвах она колеблется в пределах от 1 % до 3 % , в супесчаных – от 4 % до 6 %, суглинистых – от 10 % до 12 %, глинистых – от 20 % до 30 %. В торфах влажность завядания достигает 60 % – 80 %.

Влажность разрыва капилляров (ВРК) – это нижний предел оптимальной для растений влажности, ниже которого нарушается сплошность движения воды по капиллярам и непрерывное ее поступление к корневым системам. При этом рост растений замедляется и их продуктивность снижается. По всем экспериментальным данным эта величина составляет в среднем 50 % – 60 % от наименьшей влагоемкости почв, но может повышаться и до 75 % – 85 % от НВ. Помимо свойств почв величина ВРК в значительной мере зависит от вида растений и от фазы их развития и в этом случае величина ВРК даже для одного вида, но в разные фазы роста, может значительно колебаться. Величину ВРК используют при расчете поливной нормы, где оптимальной считается влага, находящаяся в границах от ВРК (нижний предел оптимума) до НВ (верхняя граница оптимума влаги).

Наименьшая влагоемкость (НВ). Под НВ понимается наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги, которое почва способна удержать после ее обильного увлажнения и свободного стекания избытка влаги. Синонимами НВ являются:

1) общая влагоемкость (по Н.А. Качинскому);

2) предельная полевая влагоемкость (по А.П. Розову);

3) полевая влагоемкость (по С.И. Долгову).

Ее величина широко используется в агрономической и мелиоративной практике при расчете поливных и промывных норм, продуктивной влаги и ее дефицита в почве и т.д.

Под дефицитом влаги понимают разность между запасами при НВ и количеством влаги в изучаемом слое почвы в момент исследования, то есть естественной полевой влажностью – ЕПВ.

Исследованиями установлено, что для получения наивысшей продуктивности сельскохозяйственных культур необходима влажность почвы в пределах от 70 % до 100 % от наименьшей влагоемкости (т.е. это ВРК), ее снижение приводит к уменьшению урожайности и снижению качества продукции. Основным способом, препятствующим этому, является орошение.

Таким образом, знание величины НВ, правильное ее применение является главным условием рационального регулирования водного режима почв, в том числе и при орошении.

Полная влагоемкость (ПВ) или полная водовместимость – это наибольшее количество влаги, которое может содержаться в почве при заполнении всех пор водой. Это сумма прочносвязанной, рыхлосвязанной и свободной воды в почве. Такое состояние влаги характерно для болотных почв, для горизонтов залегания грунтовых вод, при избыточном поливе и т.д. ПВ, в зависимости от пористости, может колебаться от 30 % до 80 % веса (объема) почвы, в среднем составляет от 40 % до 50 %.

Контрольные вопросы

1 Водные ресурсы Земли и их формирование.

2 Формы почвенной влаги.

3 Почвенно-гидрологические константы.

3 Мелиорация избыточно увлажненных почв: осушительные мелиорации

3.1 Понятие осушительной мелиорации

Осушительные мелиорации начали проводить еще в глубокой древности: в течение ряда тысячелетий население Египта, Бирмы, Индии, Вьетнама, Китая сооружало в долинах крупных рек дамбы для защиты пойм от наводнений. Греческий историк Геродот более 2000 лет назад описал одну из первых дренажных систем в долине Нила. Дренаж как мелиоративное мероприятие получил широкое распространение в античный период в Греции. Позднее римский писатель Катон (I в. до н.э.) в трактате «О земледелии» описал открытые дренажные системы, применявшиеся в Древнем Риме для осушения почв на виноградниках и оливковых плантациях. Многие из этих систем действуют до настоящего времени. В Х в. в Европе начались работы по устройству осушительных систем в бассейне Северного моря. Особенно интенсивными они были в XII – XIV вв. Осушались крупные болота, приморские низменности, дельты рек, приозерные понижения.

В Англии в 1252 г. при короле Генрихе III был принят первый закон об осушении сельскохозяйственных земель, который стал основой для развития мелиорации в последующие столетия. Первая система закрытого дренажа в Европе была построена, по-видимому, в этой стране при Генрихе V в конце XV в.

Интенсивное развитие работ по осушению в России первоначально было связано с деятельностью Петра I. Он предпринял осушение болот в связи с освоением побережья Финского залива, строительством Петербурга и других городов, крепостей, заводов. Действие открытых осушительных систем было описано М.В. Ломоносовым в работе «Лифляндская экономика» (1738). В конце XVIII в. А.Т. Болотов разработал вопросы осушения северных районов России. Однако в послепетровский период до второй половины XIX в. работы в области осушения почв в России велись в весьма ограниченных масштабах. Отмена крепостного права и бурное развитие капитализма явились движущим фактором мелиорации почв.

Осушительные мелиорации один из основных путей повышения урожайности сельскохозяйственных угодий, занимающих на планете 10 % площади суши. Шестая часть этих земель мелиорирована, и с них получают от 40 % до 50 % всех производимых сельскохозяйственных продуктов.

Осушение (дренаж) играет важную роль в создании транспортных коммуникаций, зданий промышленного и гражданского назначения, спортивных сооружений, аэродромов и др.

Объектом осушительных мелиораций являются заболоченные и болотные почвы. При их мелиорации устраняется вымокание и заболевание растений, создаются благоприятные условия для механизации и обработки полей, повышает производительность труда. Очень часто мелиорация оказывается не только основным звеном сельскохозяйственного и лесохозяйственного производства, но необходимым условием оптимизации жизни человека в условиях гумидных ландшафтов.