Рис. 20. Сорбція води грунтом (за Н.А.Качинським):
1 – грунтова частинка; 2 – шар щільно зв'язаної води; 3 – шар пухко зв'язаної води; 4 – вода капілярної конденсації
МГ – одна з найважливіших грунтово-гідрологічних констант:
- піщані грунти – 0,5-1,3%;
- легкосуглинкові – 1,5-3%;
- важкосуглинкові – 5-8%;
- глинисті – 10-12%.
- торф'яні – 18-22%.
б) пухкозв'язану (плівчасту). Грунт не може сорбувати пароподібну форму більше від МГ, але рідку воду може сорбувати і в більших кількостях. Вода, яка утримується в грунті сорбційними силами зверху МГ – це вода плівкова, або пухкозв'язана. Утворює полі молекулярну плівку навколо грунтових частинок. Товщина її досягає декількох десятків і навіть сотень діаметрів молекул води. Плівкова вода може переміщуватися в рідкому стані від грунтових частинок з більш товстими водяними плівками до частинок, у яких вони тонші. Швидкість її руху декілька сантиметрів на рік.
Вміст її у фунті залежить від тих же факторів, що і вміст гігроскопічної. У середньому, для більшості грунтів її кількість складає 7-15%, деколи в глинистих грунтах досягає 30-35% і знижується у піщаних до 3-5%.
Максимальна кількість плівкової води в грунті називається максимальною молекулярною вологоємністю (ММВ).
Вільна вода. Це вода, яка міститься в грунті зверх ММВ, знаходиться поза дією сорбційних сил. У грунтах вона присутня у двох формах:
а) капілярна вода – утримується в грунті в порах малого діаметра (< 8 мм) капілярними (менісковими) силами. Ці сили виникають внаслідок наявності в поверхні рідини ненасичених молекул, які є джерелом надлишкової поверхневої енергії. Це веде до утворення на поверхні рідини нібито плівки, що має поверхневий натяг, або поверхневий тиск. Він являє собою різницю між атмосферним тиском і тиском рідини. Капілярна вода рідка, рухома, розчиняє й переміщує речовини, доступна рослинам. Ділиться на капілярно-підвішену, капілярно-підперту й капілярно-посаджену залежно від джерела зволоження грунту.
Капілярно-підвішена вода заповнює капілярні пори при зволоженні зверху (після дощу, поливу). Вона може рухатись у всіх напрямках.
Капілярно-підперта вода утворюється в грунтах при піднятті води знизу від горизонту грунтових вод по капілярах на деяку висоту. Може підніматись від 0,5 до 6 м. Висота й швидкість капілярного підняття води залежать від діаметра пор, а значить – від гранскладу, структурності, будови профілю грунту. Так, висота для різних грунтів коливається в межах:
- піщані – 18-22 см
- супіщані – 100-150 см
- суглинкові – 150-300 см
- глинисті – 600-1000 см
- лес – 250-350см
- торф – 50-80 см.
Капілярно-посаджена вода утворюється у шаруватій грунтовій товщі дрібнозернистого шару при підстиланні його шаром крупнозернистом, над границею зміни цих шарів.
б) гравітаційна вода – переміщується в грунті під дією гравітаційних сил, тобто під дією власної ваги, знаходиться поза впливом сорбційних і капілярних сил, рідка, має високу розчинну здатність, рухома, доступна рослинам.
Рух гравітаційної води через грунт називається фільтрацією.
Гравітаційна вода ділиться на просочувану й підперту (підземну). Просочувана – це вода, яка пересувається по порах і тріщинах зверху вниз, коли її кількість перевищує стримувальну здатність меніскових сил. Підземна (вода водоносних горизонтів) – насичує грунтово-підгрунтову товщу до повної вологоємності й утримується в грунті за рахунок малої водопроникності порід, що підстилають грунт. Вона міститься у водоносному шарі – породі, яка легко пропускає вільну воду і насичена нею (галечник, піщаники, піски, вапняки тощо).
Водоупор – порода, яка не пропускає або слабо пропускає воду (глина, тяжкі суглинки, сланці).
Розрізняють такі основні типи підземних вод (рис. 21):
Рис. 21. Схема залягання підземних вод:
1 – опади; 2,8 – зона живлення й розвантаження артезіанських вод; 3 – верховодка; 4 – грунтові води; 5 – п'єзометрична лінія; 6 – низхідне джерело; 7 – ріка; 9,10 – міжпластові напірні й безнапірні води; 11 – водоносні породи; 12 – водотривкі породи (водоупор); А, Б – артезіанські свердловини
Верховодка – приурочена до горизонтів грунтового профілю, залягає на лінзах водотривких горизонтів (І, G1, вічна мерзлота, глинисті прошарки). Не має значного водозбору, формується локально після опадів, сніготанення.
Грунтова вода – розташована в першому від поверхні постійному водоносному горизонті. Формується за рахунок атмосферних опадів у межах великого водозбору, не перекривається водотривкою покрівлею, не напірна.
Міжпластова вода – знаходиться у водоносних горизонтах, що залягають між водотривкими пластами. Виділяється: напірна вода (артезіанська), що знаходиться у водоносних горизонтах, перекритих і підстелених водотривкими пластами, приурочена до пластів, що синклінально залягають, має напір, може мати зв'язок із грунтовими водами; безнапірна – не приурочена до синклінальних пластів, а тому не має гідравлічного напору.
Наявність значної кількості гравітаційної води – явище несприятливе, свідчить про надлишкове зволоження, приводить до утворення гідроморфних грунтів.
7.2. Водно-фізичні властивості грунту
Водно-фізичними властивостями грунту називають сукупність властивостей, які визначають поведінку грунтової води в його товщі. Найбільш важливими водними властивостями є: водоутримуюча здатність грунту, його вологоємність, водопідйомна здатність, потенціал грунтової води, водопроникність.
Водоутримуюча здатність – це здатність грунту утримувати воду, яка міститься в ньому, від стікання під дією сили тяжіння; кількісною характеристикою водоутримуючої здатності є вологоємність.
Вологоємність грунту – здатність поглинати й утримувати певну кількість води.
Залежно від сил, що утримують воду в грунті, виділяють наступні види вологоємності: максимальну адсорбційну(МАВ), максимальну молекулярну (ММВ), капілярну (KB), найменшу (НВ), повну (ПВ).
МАВ – найбільша кількість води, яка може бути утримана сорбційними силами на поверхні грунтових часток, відповідає кількості щільно зв'язаної води, що міститься в грунті, приблизно дорівнює МГ.
ММВ – характеризує верхню межу вмісту в грунті плівкової води. Залежить, в основному, від гранскладу грунту (глина – 25-30%, пісок – 5-7%). Це важлива гідрологічна константа, бо є нижньою межею доступної для рослин води.
KB – найбільша кількість капілярно-підпертої води, яка може утримуватись грунтом, що знаходиться в межах капілярної кайми. Залежить від пористості грунтів і від висоти шару насиченого грунту над дзеркалом грунтових вод, тому KB не є константою.
НВ – максимальна кількість капілярно-підвішеної води, яку може утримати грунт після стікання надлишку води при глибокому заляганні грунтових вод. Залежить від гранскладу, структурності грунту (піщані – 5-10%, супіщані – 10-20%, суглинкові – 20-30%, глинисті – 30-45%). Це одна з найважливіших гідрологічних характеристик грунту, константа, верхня межа оптимального зволоження.
ПВ – найбільша кількість вологи, яку може вмістити грунт при повному заповненні всіх пор, за винятком защемлених, тому ПВ приблизно дорівнює пористості грунту (в об'ємних процентах).
До грунтово-гідрологічних констант відносяться також МГ (описана вище); вологість в'янення (ВВ) – це вологість, при якій рослини проявляють ознаки стійкого в'янення. ВВ
1,5МГ, це нижня межа доступної для рослин вологи. ВВ приблизно дорівнює ММВ, але залежить не тільки від властивостей грунту, а й від типу рослин; вологість розриву капілярного зв'язку (ВРК) – це кількість води, при якій розривається суцільний потік капілярної води в грунті,
65-70% від НВ, відповідає нижній межі оптимальної зволоженості грунту. Усі грунтово-гідрологічні константи виражаються в% від маси або об'єму абсолютно сухого грунту.
Водопроникність – це здатність грунтів всмоктувати й пропускати через себе воду, яка поступає з поверхні.
Це одна з важливих грунтово-гідрологічних характеристик, що впливає на особливості формування стоку, водний режим грунту. Процес руху води має два етапи: всмоктування (інфільтрація) та просочування (фільтрація).
Інфільтрація – заповнення водою вільних пор грунту під впливом сорбційних, меніскових, гравітаційних сил і градієнта напору.
Фільтрація – безперервний рух води в насиченому грунті під впливом градієнта.
Межею між всмоктуванням і фільтрацією вважають установлення постійної швидкості фільтрації.
Водопроникність грунтів знаходиться в тісній залежності від їх гранулометричного складу і хімічних властивостей, структурного стану, щільності, вологості й тривалості зволоженості. Дуже знижує водопроникність грунтів наявність набряклих колоїдів, особливо насичених натрієм або магнієм. При зволоженні таких грунтів вони швидко набрякають і робляться практично водонепроникними. Грунти структурні, пухкі, характеризуються великим коефіцієнтом всмоктування й фільтрації.
Водопроникність грунтів вимірюється об'ємом води, який переходить через одиницю площі поперечного перерізу за одиницю часу (коефіцієнтом фільтрації). Величина ця дуже динамічна й змінюється як за профілем грунтів, так і просторово. Оцінити водопроникність грунтів важкого механічного складу можна за шкалою, яку запропонував Н.А. Качинський (1970): водопроникність (у см) за 1 годину при тиску 5 кПа і температурі води 10°С більше 1000 – провальна; 1000-500 – надлишково висока; 500-100 – найкраща; 100-70 – добра; 70-30 – задовільна; <30 – незадовільна. Водопроникність грає як позитивну, так і негативну роль. При низькій водопроникності можуть спостерігатися такі негативні явища, як вимокання культур, застій води на поверхні грунту, заболочення, стік води по поверхні схилу і розвиток ерозії. При дуже високій водопроникності не створюється достатній запас води в кореневмісному шарі грунту, а при зрошенні спостерігаються великі втрати води, що призводить до екологічних проблем. Для підвищення водопроникності використовується глибоке розпушування, щілювання, піскування, збагачення органічною речовиною, штучне структуроутворення.
Водопідіймальна здатність грунту – це його властивість викликати висхідне пересування в ньому води за рахунок капілярних сил.
Висота і швидкість капілярного підняття води в основному визначаються гранулометричним і структурним станом грунту, його пористістю. Чим важчі грунти і менш структурні, тим більша потенційна висота підняття води по капілярах, а швидкість підйому – менша. Капілярні сили починають проявлятись в порах діаметром 8 мм, але особливо яскраво – у порах діаметром 0,1-0,003 мм.
Доступність грунтової води для рослин є винятково важливою характеристикою, яка визначає значною мірою родючість грунтів. Рослини в процесі життя поглинають дуже велику кількість води. Вони витрачають її на транспірацію та утворення біомаси. Витрати води з грунту рослинами характеризується транспіраційним коефіцієнтом (ТК) – кількістю води, яка необхідна для утворення одиниці сухої маси рослини. Для більшості культурних рослин ТК коливається в межах 400-600, досягаючи деколи 1000, тобто для утворення 1 т сухої органічної речовини біомаси витрачається 400-600 т і більше води з грунту. За доступністю для рослин грунтова вода може бути поділена на форми:
1. Недоступна для рослин – це вся міцно зв'язана вода, так званий її мертвий запас. Недоступність пояснюється тим, що утримуюча сила поверхні грунтових частинок набагато більша, ніж всмоктувальна сила коренів. Мертвий запас води в грунтах відповідає приблизно максимальній адсорбційній вологоємності.
2. Дуже важкодоступна для рослин – в основному пухкозв'язана (плівчаста) вода. Важка доступність зумовлена її низькою рухомістю. Вода не встигає підтікати до точок її споживання, тобто до кореневих волосків. Вміст води в грунті, який відповідає вологості в'янення, є нижньою границею продуктивної доступної вологи.
3. Важкодоступна вода лежить у межах між вологістю в'янення й вологістю розриву капілярного зв'язку.
4. Середньодоступна вода відповідає діапазону від вологості розриву капілярів до найменшої вологоємності. Ця вода рухома й рослини можуть поглинати її. Різниця між найменшою вологоємністю та вологістю в'янення – це діапазон фізіологічно активної води в грунті.
5. Легкодоступна, яка переходить у надлишкову воду, відповідає діапазону вологості від найменшої до повної вологоємності.
7.3. Грунтовий розчин
Грунтовий розчин – це рідка фаза грунтів, яка містить грунтову воду, розчинені в ній солі, органічні та органо-мінеральні сполуки, гази й колоїдні золі.
В.І.Вернадський вважав грунтові розчини "головним субстратом життя", "головним елементом механізму біосфери". Джерелами грунтових розчинів є: 1) атмосферні опади; 2) грунтові води; 3) зрошувальні (поливні) води.
Вміст вологи в грунтах, кількість грунтового розчину може коливатися в широких межах – від десятків відсотків (вона може займати усі пори) до одиниці або часток відсотка, коли в грунті знаходиться тільки адсорбована вода. Фізично міцно зв'язана вода (гігроскопічна, частково максимальна гігроскопічна) являє собою так званий нерозчинний об'єм грунтової води. Не встигає стати грунтовим розчином і гравітаційна вода. Отже, грунтовий розчин містить усі форми капілярної, пухко й відносно міцно зв'язаної води грунту.
Для виділення та вивчення грунтових розчинів застосовуються різні групи методів. Перша – водні витяжки, тобто розчин добувають додаванням до грунту води. Найбільш часто застосовується співвідношення грунт:вода=1:5. Вони використовуються для характеристики кількості в грунтах легкорозчинних солей і легкодоступних для рослин поживних речовин.
Друга група базується на застосуванні зовнішньої сили – 1) тиску, який створюється пресом; 2) тиску стисненого газу; 3) відцентрової сили; 4) здатності різних рідин витісняти з грунту воду. Найбільш часто застосовуються перший і останній, тобто відпресування розчину або витіснення іншою рідиною.
Третя: лізиметричні методи, що діють за принципом заміщення й витіснення грунтових розчинів талими або дощовими водами. Лізиметри бувають різних конструкцій: 1) лізиметри-контейнери з бетонними стінами і дном, куди грунт насипається; 2) лізиметри-моноліти; 3) лізиметри-лійки; 4) площинні лізиметри закритого типу, що найменше порушують природне залягання грунту; 5) лізиметричні хроматографічні колонки.
Четверта: безпосереднє дослідження водної фази в грунті в природному заляганні у польових умовах. Застосовуються електроди, якими визначається волога й електропровідність грунтів (облік запасу солей), активність іонів водню, окисно-відновний потенціал, визначення іонів Са2+, Mg2+, K+, NH4+, NО3-, Сl- тощо.
Склад грунтових розчинів залежить від: 1) кількості та якості атмосферних опадів; 2) складу твердої фази грунту; 3) кількості та якості рослинного матеріалу надземної та підземної частин біогеоценозу; 4) життєдіяльності рослин – поглинання з розчину визначених іонів і виділення з коренів. Речовини можуть бути у формі справжніх розчинів і колоїдно розчинених сполук. Останні представлені золями кремнієвої кислоти, півтораоксидів заліза та алюмінію, органічними та органо-мінеральними сполуками. У розчині містяться катіони: Са2+, Mg2+, K+, Na+ NH4+, Al3+, Fe2+, аніони: НСО3-, СО32-, NO3-, Cl-, SО42-, H2PO4-, НРO42-. Залізо та алюміній, багато мікроелементів знаходяться у вигляді комплексних органо-мінеральних сполук, у яких ці елементи знаходяться в аніонній частині.
Грунтові розчини характеризуються такими показниками: реакцією, концентрацією, осмотичним потенціалом.
Наявність у грунтовому розчині вільних кислот і лугів визначає актуальну реакцію грунтового розчину.
Реакція грунтового розчину визначається активністю вільних водневих (Н+) і гідроксильних (ОН) іонів і вимірюється показником рН – від'ємним логарифмом активності іонів водню.
рН грунтових розчинів грунтів змінюється від 2,5 (кислі сульфатні грунти) до 8-9 і вище (карбонатні й засолені грунти), у солонцях і содових солончаках – 10-11.
Концентрація грунтових розчинів невелика й коливається від десятків міліграмів до декількох грамів речовини на 1 л. Підзолисті грунти мають концентрацію грунтового розчину, яка складає декілька десятків міліграмів на 1 л розчину при рН від 5 до 6. Такі ж концентрації головних компонентів у грунтах вологих субтропіків і тропіків. Вміст органічного вуглецю досягає декількох десятків мг/л, органічна речовина представлена фульвокислотами. У степових грунтах (чорноземи, солонці) концентрація грунтового розчину досягає 1-3 г/л і більше. У них багато НСО3-, Ca2+, Mg2+, рН – нейтральний і лужний. У засолених грунтах багато катіонів та аніонів. Загальна сума водорозчинних речовин у водних витяжках вища, ніж у грунтових. Ця різниця тим більша, чим менше розчинних солей. Кількість окремих катіонів і аніонів виражається мг-екв на 1 л розчину.
Динаміка концентрації грунтового розчину пов'язана зі змінами температури й вологості грунту, інтенсивністю діяльності мікрофлори, мікрофауни грунтів, метаболізмом вищих рослин, процесами розкладу органічних решток у грунті. Ці зміни визначають добову й сезонну динаміку грунтового розчину. Для більшості типів грунтів характерне поступове збільшення концентрації грунтового розчину, особливо в поверхневих горизонтах, від весни до літа. У період осінньо-зимових дощів атмосферні опади розбавляють грунтовий розчин і розчиняють частину солей – настає фаза розбавлення грунтових розчинів.
Дуже важливо те, що грунтові розчини – безпосереднє джерело живлення рослин. Зрошення й осушення, внесення мінеральних добрив сприяє оптимізації грунтових розчинів за вмістом елементів-біофілів. Крім того, останні відіграють важливу роль у створенні оптимального осмотичного тиску грунтового розчину. А це, у свою чергу, сприяє кращому живленню рослин. Засолені грунти характеризуються високим осмотичним тиском, який досягає 30-40 МПа, а сильно засолені – 50-60 МПа. При умовах, коли осмотичний тиск збільшується до 150-160 МПа, волога перестає поступати в рослини, а навпаки – з рослин поступає до грунту. Всмоктувальна сила коренів більшості сільськогосподарських рослин не перевищує 100— 120 МПа.
Людина в процесі сільськогосподарського використання грунту регулює склад грунтового розчину шляхом зрошення й осушення, внесення добрив тощо.
Грунтові розчини, як і грунти в цілому, володіють буферністю, яка виконує надважливу екологічну функцію. |
Скачать 3.44 Mb.