Полная влагоемкость, определяемая в трубках, всегда бывает несколько меньше общей порозности, так как при погружении в воду образца почвы в нем сохраняется около 8% защемленного воздуха.
Полную влагоемкость почвы с нарушенным строением определяют в металлических цилиндрах с сетчатым дном или в стеклянных трубках, обвязанных с одного конца марлей. Диаметр трубки 5-6 см, высота 15-18 см. На сетчатое дно накладывают кружок фильтровальной бумаги и смачивают водой. После стекания излишка воды взвешивают трубку на технических весах с точностью 0,05 г (удобны весы BЛTK-500).
Цилиндр наполняют на 8/4 высоты просеянной через грохот почвой. Почву вносят небольшими порциями и уплотняют постукиванием трубки или осторожным уминанием, добиваясь того же уплотнения, которое принято для сосудов вегетационного опыта. Одновременно берут пробу для определения влажности исходной почвы.
После наполнения почвой цилиндр взвешивают и по разности между весом цилиндра с почвой и пустого цилиндра определяют навеску исходной почвы. Зная влажность почвы, вычисляют вес абсолютно сухой почвы в цилиндре.
Цилиндр с почвой прикрывают сверху стеклом, ставят в сосуд с водой, доводят уровень ее до уровня почвы в цилиндре и оставляют на сутки. Через сутки вынимают цилиндр из воды, обтирают фильтровальной бумагой и взвешивают. Еще через сутки повторяют взвешивание. При получении близких данных насыщение прекращают.
Влагоемкость выражают в весовых или объемных процентах. Для перевода в объемные весовые данные следует умножить на объемный вес. Отношение веса поглощенной воды к весу сухой почвы определяет полную влагоемкость в весовых процентах.
Запись результатов определения:
Вес цилиндра с увлажненной обвязкой (а).
Вес цилиндра с почвой (b).
Навеска исходной почвы (b - а).
Навеска абсолютно сухой почвы (d).
Вес трубки с почвой после насыщения (с).
Вес поглощенной воды (с - а - d).
Полную влагоемкость (в % на абсолютно сухую почву) определяют по формуле:
Влагоемкость (влагоудержание) - свойство почвы поглощать и удерживать то максимальное количество воды, которое в данное время соответствует воздействию на нее сил и условиям внешней среды. Это свойство зависит от состояния увлажненности, пористости, температуры почвы, концентрации и состава почвенных растворов, степени окультуренности, а также от других факторов и условий почвообразования. Чем выше температура почвы и воздуха, тем меньше влагоемкость, за исключением почв, обогащенных перегноем. Влагоемкость меняется по генетическим горизонтам и высоте почвенной колонны. В почвенной колонне как бы заключена водная колонна, форма которой зависит от высоты столба почвенного грунта над зеркалом и от условия увлажнения с поверхности. Форма такой колонны будет соответствовать природной зоне. Эти колонны в природных условиях меняются по сезонам года, а также от погодных условий и колебания влажности почвы. Водная колонна изменяется, приближаясь к оптимальной, в условиях окультуривания и мелиорации почвы. Различаются следующие виды влагоемкости :
- а) полная (ПВ);
- б) максимальная адсорбционная (МАВ);
- в) капиллярная (КВ);
- г) наименьшая полевая (НВ)
- д)предельная полевая влагоемкость (ППВ).
Все виды влагоемкости меняются с развитием почвы в природе и еще более - в производственных условиях. Даже одна обработка (рыхление спелой почвы) может улучшить ее водные свойства, увеличивая полевую влагоемкость. А внесение в почву минеральных и органических удобрений или других влагоемких веществ может на длительное время улучшить водные свойства или влагоемкость. Это достигается заделкой в почву навоза, торфа, компоста и других влагоемких веществ. Мелиорирующее действие может оказывать внесение в почву влагоудерживающих высокопористых влагоемких веществ типа перлитов, вермикулита, керамзита.
Кроме основного источника лучистой энергии, в почву поступает тепло, выделяемое при экзотермических, физико-химических и биохимических реакциях. Однако тепло, получаемое в результате биологических и фотохимических процессов, почти не изменяет темммпературу почвы. В летнее время сухая нагретая почва может повышать температуру вследствие смачивания. Эта теплота известна род названием теплоты смачивания. Она проявляется при слабом смачивании почв, богатых органическими и минеральными (глинистыми) коллоидами. Весьма незначительное нагревание почвы может быть связано с внутренней теплотой Земли. Из других второстепенных источников тепла следует назвать «скрытую теплоту» фазовых превращений, освобождающуюся в процессе кристаллизации, конденсации и замерзании воды и т. д. В зависимости от механического состава, содержания перегноя, окраски и увлажнения различают теплые и холодные почвы. Теплоемкость определяется количеством тепла в калориях, которое необходимо затратить, чтобы поднять температуру единицы массы (1г) или объема (1 см3) почвы на 1оС. Из таблицы видно, что с увеличением влажности теплоемкость меньше возрастает у песков, больше у глины и еще больше у торфа. Поэтому торф и глина являются холодными почвами, а песчаные - теплыми. Теплопроводность и температуропроводность. Теплопроводность - способность почвы проводить тепло. Она выражается количеством тепла в калориях, проходящего в секунду через площадь поперечного сечения 1 см2 через слой 1 см при температурном градиенте между двумя поверхностями 1оС. Воздушно-сухая почва обладает более низкой теплопроводностью, чем влажная. Это объясняется большим тепловым контактом между отдельными частицами почвы, объединенными водными оболочками. Наряду с теплопроводностью различают температуропроводность - ход изменения температуры в почве. Температуропроводность характеризует изменение температуры на единице площади в единицу времени. Она равна теплопроводности, деленной на объемную теплоемкость почвы. При кристаллизации льда в порах почвы проявляется кристаллизационная сила, вследствие чего закупориваются и расклиниваются почвенные поры и возникает так называемое морозное пучение. Рост кристаллов льда в крупных порах вызывает подток воды из мелких капилляров, где в соответствии с уменьшающимися их размерами замерзание воды запаздывает.
Источники поступающего в почву тепла и расходования его - неодинаковые для различных зон, поэтому тепловой баланс почв может быть и положительным и отрицательным. В первом случае почва получает тепла больше, чем отдает, а во втором - наоборот. Но тепловой баланс почв любой зоне с течением времени заметно изменяется. Тепловой баланс почвы поддается регулированию в суточном, сезонном, годичном и многолетнем интервале, что позволяет создать более благоприятный термический режим почв. Тепловым балансом почв природных зон можно управлять не только через гидромелиорации, но и соответственными агромелиорациями и лесомелиорациями, а также некоторыми приемами агротехники. Растительный покров усредняет температуру почвы, уменьшая ее годовой теплооборот, способствуя охлаждению приземного слоя воздуха вследствие транспирации и излучения тепла. Большие водоемы и водохранилища умеряют температуру воздуха. Весьма простые мероприятия, например культура растений на гребнях и грядах, дают возможность создать благоприятные условия теплового, светового, водно-воздушного режима почвы на Крайнем Севере. В солнечные дни среднесуточная температура в корнеобитаемом слое почвы на гребнях на несколько градусов выше, чем на выровненной поверхности. Перспективно применение электрического, водяного и парового отопления, используя промышленные отходы энергии и неорганические природные ресурсы. Регулирование теплового режима и теплового баланса почвы вместе с водно-воздушным имеет весьма большое практическое и научное значение. Задача заключается в том, чтобы управлять тепловым режимом почвы, особенно уменьшением промерзания и ускорением оттаивания ее.
Одним из основных водных свойств почвы является влагоемкость, под которой понимают количество воды, удерживаемые почвой. Она выражается в % от массы абсолютно сухой почвы или от ее объема.
Важнейшей характеристикой водного режима почв является ее наименьшая влагоемкость, под которой понимается наибольшее количество подвешенной влаги, которую почва способна удерживать после обильного увлажнения и стекания гравитационной воды. При наименьшей влагоемкости количество доступной влаги для растений достигает максимально возможной величины. Количество воды в почве, за вычетом той ее части, которая составляет так называемый мертвый запас, Э.Митчерлих назвал "физиологически доступной почвенной влагой".
Наименьшую влагоемкость определяют в полевых условиях при естественном сложении почвы методом заливаемых площадок. Суть метода заключается в том, что почву насыщают водой до тех пор, пока ею не будут заполнены все поры, а затем дают избытку влаги стечь под действием силы тяжести. Установившаяся равновесная влажность будет соответствовать НВ. Она характеризует водоудерживающую способность почвы. Для определения НВ выбирают площадку размером не менее 1 х 1 м, вокруг которой создают защитный бортик, обволакивают ее двойным кольцом уплотненных земельных валиков высотой 25-30 см или устанавливают деревянные или металлические рамки. Поверхность почвы внутри площадки выравнивают и покрывают крупным песком слоем 2 см для предохранения почвы от размыва. Рядом с площадкой по генетическим горизонтам или отдельным слоям берут образцы почвы для определения ее пористости, влажности и плотности. По этим данным определяют фактический запас воды в каждом из горизонтов (слоев) и пористость. Вычитая из общего объема пор объем, занятый водой, определяют количество воды, необходимое для заполнения всех пор в изучаемом слое .
Пример расчета. Площадь заливной площадки S = 1 х 1 = 1 м 2 . Установлено, что мощность пахотного слоя равна 20 см или 0,2 м, влажность почвы W - 20%; плотность d - 1,2 г/см 3 ; порозность Р - 54%.
а) объем пахотного слоя: V пах = hS = 0,2 х 1 = 0,2 м 3 = 200 л.
б) объем всех пор в исследуемом слое:
V пор = Vпах (Р/100) = 200 (54/100) = 108 л
в) объем пор, занятых водой при влажности, равной 20%
V вод = Vпах (W/100) S = 200 (20/100) · 1 = 40 л
г) Объем свободных от воды пор
V своб = Vпор - Vвод = 108 - 40 = 68 л.
Для заполнения всех пор в пахотном слое почвы в пределах заливной площадки потребуется 68 л воды.
Таким образом рассчитывают количество воды для заполнения почвенных пор до той глубины, на которую определяют НВ (обычно до 1-3 м).
Для большей гарантии полного промачивания количество воды увеличивают в 1,5 раза на боковое растекание.
Определив требуемое количество воды, приступают к заливке площадки. Струю воды из ведра или шланга направляют на какой-нибудь твердый предмет, чтобы избежать нарушения сложения почвы. Когда весь заданный объем воды впитается в почву, поверхность ее накрывают пленкой, чтобы исключить испарение.
Время для стекания избытка воды и установления равновесной влажности, соответствующей НВ, зависит от механического состава почвы. Для песчаных и супесчаных почв оно составляет 1 сутки, для суглинистых 2-3, для глинистых 3-7 суток. Точнее это время можно установить, наблюдая за влажностью почвы на участке в течение нескольких дней. Когда колебания влажности почвы во времени будут незначительными, не превышающими 1-2%, то это и будет означать достижение равновесной влажности, т.е. НВ.
В условиях лаборатории НВ для почв с нарушенным сложением можно определить методом насыщения почвенных образцов водой сверху по аналогии определения строения пахотного слоя почвы.
В лабораторных условиях можно определить величину наименьшей влагоемкости почвы, которая примерно соответствует предельной полевой влагоемкости (Долгов, 1948). При работе с насыпной почвой (например, при набивке вегетационных сосудов) определение в трубках даст более правильный результат, чем полевое определение влагоемкости.
Для определения берут стеклянные трубки длиной в 60-80 см с внутренним диаметром около 3 см. Нижний конец трубки обвязывается полотном или марлей. При подготовке почву доводят до воздушно-сухого состояния и пропускают через грохот (2-3 мм), но не растирают.
При набивке почвы принимают меры против образования слоистости, что достигается насыпанием почвы через воронку, на носик которой надета достаточно широкая каучуковая трубка, доходящая до дна стеклянной трубки. При насыпании почва заполняет воронку и всю каучуковую трубку. При постоянном постукивании и вращении стеклянной трубки начинают медленно поднимать воронку с каучуковой трубкой, не отрывая нижнего конца трубки от высыпавшейся почвы; при этом почва сплошным столбом, без сортировки, выходит из каучуковой трубки и заполняет стеклянную трубку. Этим приемом удается избежать образования слоистости, неизбежной при простом насыпании почвы в трубку.
Полив почвы производят с таким расчетом, чтобы почвенный столб промачивался не до дна; нижняя сухая зона может быть небольшой. Ход промачивания регистрируется сквозь стеклянные стенки раз в сутки по увлажнении почвы. Для предотвращения подсыхания с поверхности почвы верх трубок закрывается пробкой с вставленным в нее кали-аппаратом, заполненным водой, что позволяет воздуху входить после насыщения водяными парами.
После прекращения передвижения воды (через 30-40 дней) стеклянные трубки разрезают и послойно определяют влажность в каждых 2 или 4 см. Влажность верхних (обычно переувлажненных) слоев в 4-6 см не принимают во внимание, так же как и в нижних переходных слоях длиной 20-25 см, прилегающих к сухой почве.
Выше переходной зоны во всех слоях, кроме самых верхних, влажность колеблется незначительно и примерно соответствует значению предельной полевой влагоемкости, определяемой в природной полевой обстановке.
Удовлетворительное совпадение лабораторных и полевых определений найдено С.И. Долговым только для пахотного слоя почвы. Для всех подпахотных образцов лабораторные определения дали завышенные значения.
Для быстрого определения наименьшей влагоемкости (по Долгову) воздушно-сухую почву набивают в сосуд высотой 30 см или в широкую трубку высотой около 40 см, стараясь достичь такого же уплотнения почвы, как при набивке сосудов вегетационного опыта. Затем осторожным приливанием воды смачивают верхнюю часть почвенного столба и оставляют в укрытом состоянии на сутки. Через сутки почва в слое от 5 до 10-15 см будет иметь влажность наименьшей влагоемкости. Определение будет правильным, если в нижней части почвенного столба осталась воздушно-сухая почва.
С.И. Долгов считает более правильным рассчитывать полив вегетационных опытов не по полной влагоемкости, а по наименьшей влагоемкости, допуская в опыте колебания влажности от 70 до 100% от наименьшей влагоемкости.
Задание 2. Определить максимальную молекулярную (адсорбционную) влагоемкость методом А.Ф. Лебедева.
Максимальной молекулярной влагоемкостью (ММВ) называется наибольшее количество гигроскопической пленочной воды, удерживаемой частицами почвы за счет сил молекулярного притяжения.
Метод ее определения основан на удалении влаги сверх ММВ с помощью пресса.
Порядок проведения работы
Взять 10–15 г почвы, просеянной через сито d= 1мм (мелкозем), в фарфоровую чашку, смочить водой до полного насыщения и тщательно перемешать шпателем.
На лист фильтровальной бумаги, покрытой куском марли, положить металлическое кольцо с внутренним отверстием диаметром 4–5 см и равномерно намазать шпателем переувлажненную почву, заполнив отверстие кольца.
После снятия кольца на фильтровальной бумаге остается кружок почвы, равный толщине кольца. Этот кружок покрыть кусочком марли и переслоить сверху и снизу фильтровальной бумагой (в 20 листов).
Приготовленные таким образом кружочки почвы (5–6 штук) поместить между деревянными прокладками под пресс на 30 мин под давлением около 100 кг/см 2 . В результате в почве останется лишь молекулярная вода.
По окончании прессования кружок почвы быстро очистить от приставших волокон бумаги или марли и перенести во взвешенный стаканчик.
Стаканчик с почвой взвесить и просушить в термостате при температуре 100–105 ºС до постоянного веса.
Охлажденный после сушки стаканчик с почвой взвесить с точностью до 0,01 г.
ММВ вычислить по формуле:
где А – масса стакана с сырой почвой, г;
В – масса стакана с абсолютно сухой почвой, г;
С – масса пустого стакана.
Величина ММВ имеет те же зависимости от свойств почвы, что и максимальная гигроскопическая влажность. Она является постоянной для каждой почвы и содержит в себе весьма труднодоступную влагу для растений. ММВ составляет ориентировочно 7–9 % от массы почвы.
Задание 3. Определить капиллярную влагоемкость почвы (кв).
Капиллярная влагоемкость – максимально возможное содержание капиллярной воды в почве (без перехода ее в гравитационную). Она фактически определяет запасы так называемой продуктивной влаги и водные условия жизни растений. Ее величина зависит от механического и структурного составов почвы, содержания гумуса и состава солей.
Порядок проведения работы
Взвесить пустой цилиндр с сетчатым дном и вложенным в него кружочком фильтровальной бумаги с точностью до 0,1 г.
Наполнить цилиндр до половины объема воздушносухой почвой, уплотняя постукиванием о ладонь, и взвесить цилиндр с почвой.
Поставить цилиндр с почвой в ванночку с водой на фильтровальную бумагу так, чтобы вода была выше уровня дна цилиндра на 0,5 см.
После насыщения, когда поверхность почвы в цилиндре увлажнится, вынуть цилиндр из ванночки, промокнуть дно и взвесить.
КВ =
,
где КВ – капиллярную влагоемкость, %;
С – масса цилиндра с почвой после насыщения, г;
В – масса цилиндра с воздушно-сухой почвой, г;
А – масса пустого цилиндра, г.
Капиллярная влагоемкость, определенная в полевых условиях для конкретной разновидности почв при глубоких грунтовых водах, называется наименьшей влагоемкостью (НВ). Наименьшая влагоемкость характеризует максимальную водоудерживающую способность почвы при промачивании ее сверху. Величина наименьшей влагоемкости зависит от целого ряда характеристик почвы, главным из которых является механический и структурный составы и содержание гумуса.
Наименьшая влагоемкость имеет важное значение в орошаемом земледелии. По ее величине рассчитывают сроки поливов, поливные и промывные нормы, определяют водоотдачу, продуктивную влагу и т.д.
При увлажнении до наименьшей влагоемкости в почве содержится максимальное количество доступной для растений влаги, т.к. 55–75 % пор почвы заполнены водой.
Полная влагоемкость (ПВ) – это максимальное содержание воды в почве, равное объему всех пор, трещин и пустот. Она характеризует водовместимость почвы. Полную влагоемкость можно рассчитать по общей пористости почвы: ПВ = S, % от объема почвы и ПВ = , % от массы абсолютно сухой почвы, где S – общая пористость, % объема; d – объемная масса почвы, г/см 3 .
Данные водных свойств почв записать в табл. 1.