Водно-физические свойства

В полевых условиях все факторы, определяющие передвижение влаги в почве, действуют одновременно, но однако в зависимости от сезона года и насыщенности почвы водой степень влияния отдельных факторов на скорость этого процесса может быть различной.
Многочисленными исследователями установлено, что при относительно низком содержании воды в почве основными факторами передвижения ее являются градиенты влажности (потенциал натяжения) и температуры, скорость которых при прочих равных условиях зависит от плотности сложения почвенного профиля (объемной массы).
Поэтому нами сделана попытка определить значение некоторых факторов на передвижение и испарение воды в каштановых почвах Бурятии путем постановки лабораторных и лабораторно-полевых опытов, приближенно моделирующих естественные условия.
В земледельческой науке и практике установлено, что при недостаточной насыщенности почвы водой наиболее действенным приемом по уменьшению потери влаги из нее является уплотнение поверхности (прикатывание). Исходя из этого, а также из анализа почвенных и климатических условий, складывающихся в регионе, нами была поставлена задача определить передвижение и испарение воды из почвы в зависимости от уплотнения поверхности ее при разной насыщенности водой, разном температурном режиме и скорости обмена почвенного воздуха.
Для этого в лабораторных условиях предварительно увлажненной и тщательно перемешанной почвой наполняли специально изготовленные деревянные ящики размером 15x15x20 см. Степень увлажнения в зависимости от цели исследования была разной. Для обеспечения вертикального градиента температуры почвы наружные стены и дно ящиков покрывались асбестом. Опыты проводились в двух вариантах и двукратной повторности. В варианте «Рыхлый» плотность упаковки всей толщи почвы (0-20 см) доводилась до 1,2 г/см3 (объемная масса после вспашки), в варианте «плотно-рыхлый» верхний пятисантиметровый слой был уплотнен до 1,35 г/см (объемная масса после прикатывания), а нижнего (5-20 см) слоя - 1,2 г/см3.
Влажность почвы в четырехкратной повторности определили по истечении 10 суток, так как вследствие малой влагоемкости каштановые почвы в полевых условиях очень быстро теряют легкоподвижную влагу. Результаты определения влажности почвы в опытах представлены в таблице 47.
В опыте 1 изучали испарение воды из почвы в зависимости от уплотнения и рыхления в изотермических условиях (18-19°) при исходной влажности почвы 90% от наименьшей полевой влагоемкости (8,9% от сухой почвы).

Как видно из этих данных, влажность почвы на вариантах с уплотнением и без него почти одинаковая (опыт 1). Следовательно, уплотнение почвы в данном случае не оказало положительного эффекта на сохранение влаги в почве. Наоборот, общее количество испарившейся воды на уплотненной почве больше, чем на рыхлой.
Передвижение влаги в жидком виде к горизонту испарения при влажности почвы меньше наименьшей влагоемкости в этих условиях должно осуществляться, главным образом, под действием пленочно-менисковых сил, обусловленное потенциалом влажности, градиент которого устанавливается в результате диффузии паров в атмосферу. Здесь, по-видимому, при отсутствии градиента температуры и активного отвода водяных паров (ветер и др.) ведущим фактором, определяющим скорость испарения, явилась величина градиента давления пара между почвой и атмосферой. И в этих условиях при относительно низкой скорости испарения уплотнения поверхности почвы не оказывает положительного влияния на сохранение влаги в ней.
При одних и тех же условиях отвода паров воды и степени увлажнения почвы скорость передвижения влаги и интенсивность испарения будет зависеть от разности температуры в почвенном профиле. Уплотнение же поверхности почвы, по нашим определениям, в среднем повышает температуропроводность почвы на 22-36%. Поэтому в опытах 2 и 3 нами изучалось влияние охлаждения и нагревания почвы сверху при разной плотности поверхности ее на испарение и перераспределение воды в почве.
Опыт 2 проводился при исходной влажности почвы 90% от HB (8,8% от сухой почвы). Монолиты после выдерживания при комнатной температуре (18-19°) охлаждались один раз в сутки до 4-5° на глубине 5 см. В опыте 3 создавались противоположные условия: почва нагревалась в течение 7 часов в сутки до 45° на поверхности и постепенно охлаждалась до 4-5°. Исходная влажность в этом опыте выбрана 120% от HB (11,2%), так как обильное увлажнение и сильное нагревание почвы днем и охлаждение ночью в условиях Забайкалья происходят летом в период дождей. Результаты определения влажности почвы показывают, что при охлаждении почвы сверху уплотнение поверхности почвы, как и в изотермических условиях, не способствует уменьшению испарения влаги из почвы, и количество испарившейся влаги на 38% больше на этом варианте, чем на рыхлом. А при нагревании сверху уплотнение поверхности почвы заметно снижает скорость потери влаги.
Увеличение потери влаги почвы при охлаждении объясняется передвижением ее в сторону больших поверхностных натяжений, т.е. в направлении пониженных температур. Поскольку почва в плотно-рыхлом варианте благодаря повышению температуропроводности охлаждалась интенсивнее, чем в рыхлом варианте, скорость термопереноса воды к поверхности и испарение на этом варианте были больше. Например, после 5-часового охлаждения сверху температура почвы в варианте «плотно-рыхлый» на глубине 5 см составляла 4,5°, 20 см -3,7°, а на варианте «рыхлый» соответственно 6,8° и 5,6°.
При нагревании охлажденной почвы сверху наряду с испарением (термодиффузии) происходит термокапиллярный перенос воды в холодную сторону, и этот процесс идет более интенсивно в уплотненной сверху почве, что послужило причиной сравнительно лучшего сохранения влаги в ней, так как градиент температуры в 15-сантиметровом слое (5-20 см) в «рыхлом» варианте на 4-е сутки составил 0,7 град, см, на «плотно-рыхлом» - 0,99 град. см, а если учесть перепад температуры с поверхности почвы, то наблюдаются еще большие величины.
В опытах 4 и 5 изучалось влияние ветра на скорость испарения воды из почвы в изотермических условиях при разном содержании влаги в почве - 9,3% (HB) в опыте 4 и 11,3 (120% от HB) в опыте 5.
Ветер создавался вентилятором в течение 9 часов в сутки со скоростью 5 м/сек. Результаты опытов 4 и 5 свидетельствуют о том, что уплотнение поверхности почвы при активном отводе водных паров (ветер) несколько уменьшает скорость испарения почвенной влаги. Это наглядно видно при сравнении данных опыта с результатами опыта 1 (изотермические условия), где при отсутствии ветра испарилось с уплотненной почвы 30% исходного количества влаги, а с рыхлой - 24,4%, а при ветре соответственно - 37,6 и 39,2%. То есть, из рыхлой почвы при воздействии ветром повышаются потери влаги. Опыт 5 продолжался в течение 7 дней с тем, чтобы выяснить воздействие испытуемых факторов на интенсивность испарения при относительно большем содержании влаги в почве. И, как стало видно, когда почва более насыщена водой (выше HB) и возможен капиллярный подток ее к испаряющейся поверхности, уплотнение поверхности почвы несколько ускоряет процессы испарения воды из нее. Однако при действии ветра интенсивность испарения воды из рыхлой почвы довольно высокая, и при более продолжительной экспозиции потери влаги на этом варианте, вероятно, были бы больше, чем из уплотненной почвы.
Известно, что в полевых условиях все факторы испарения действуют одновременно и в определенные периоды, в зависимости от времени года может влияние того или иного фактора доминировать над другими. Например, в осенний и зимний периоды под действием температурного градиента вполне вероятно перемещение почвенной воды в верхние слои почвы (подтягивание). Весной же в период активного ветрового режима скорость обмена атмосферного и почвенного воздуха, по-видимому, играет большую роль в процессах испарения влаги из почвы. Наиболее критическим периодом в потребности во влаге у нас является весенний месяц май, когда производится посев сельскохозяйственных культур. Для максимального сохранения имеющейся в почве влаги необходимо знать процессы передвижений воды в почве в этот период. Поэтому нами был проведен лабораторно-полевой опыт, где равномерно увлажненную почву (до 80% от HB) помещали в сосуды высотой 50 см, так как в начале мая почва на пару оттаивает на 50 см и более (рис. 2). Почва в сосудах уплотнялась до равновесной плотности (объемная масса - 1,35 г/см3) и закапывалась вровень с поверхностью поля. Выдерживали сосуды с 3 мая по 21 июня, то есть с начала посева пшеницы до начала летних дождей. Повторность опыта четырехкратная.

Результаты определения влажности почвы представлены на рисунке. Как видно, в весенний период основным фактором передвижения почвенной влаги в жидкой форме являются градиент температуры, направленный к холодному слою, и почва на глубине 40 и 45 см в результате передвижения воды из верхних слоев насыщается почти до HB. Этот эксперимент подтверждает результаты вышеприведенных лабораторных исследований. Нужно сказать, что в этом эксперименте из-за ничтожной испаряющейся поверхности сосудов (диаметр 12 см) при высоте 50 см был весьма ограничен обмен почвенного и атмосферного воздуха, что существенно снизило общие потери почвенной влаги путем испарения.
В полевых же условиях почвенная влага из верхних слоев не только испаряется в атмосферу, но и, как было установлено экспериментально, передвигается в нижние холерные слои. Это явление подтверждается результатами многолетних наблюдений, приведенными на рис., которые показывают, что содержание влаги в почве на пару находится в пределах 70-80 процентов от ее наименьшей влагоемкости, и в весенний период наибольшее снижение ее происходит в слое 0-20 см (пахотном), особенно в поверхностных слоях (0-10 см), а в глубоких слоях почвы отмечается увеличение влажности почвы за счет передвижения под действием градиента температуры.
Следовательно, в условиях Бурятии при оттаивании почвы происходит существенное перераспределение влаги в почвогрунте в слое толщиной в 0-100 см, и наряду с интенсивным испарением из поверхностных слоев почвы отмечается перемещение ее в нижние холодные слои.
Зная закономерности передвижения почвенной воды в весенний период, необходимо разработать такие технологические приемы, которые максимально бы снижали непроизводительные потери скудных запасов почвенной влаги и позволяли наиболее эффективное их использование. Это, во-первых, наиболее широкое использование агротехнических приемов, снижающих скорость испарения воды из почвы; во-вторых, повышение коэффициента использования воды в почве путем обеспечения растений питательными веществами, особенно азотной пищей, а также освоение такой структуры посевных площадей, где сочетались бы культуры, наиболее эффективно использующие накопленную в пару влагу и летние осадки.
Агрономической наукой установлены и результаты наших исследований подтверждают, что процессы испарения воды из почвы, в первую очередь, зависят от количественного содержания влаги в ней, то есть от степени увлажнения. В связи с этим процесс испарения разделяется на три главные стадии.
Первая стадия - стадия постоянной скорости испарения. Этот процесс испарения наблюдается при высоком влагосодержании в почве. Период постоянства скорости испарения длится до тех пор, пока в почве имеется гравитационная влага (свободная вода). Ho так как свободная вода стекает в нижележащие горизонты очень быстро, то этот процесс испарения продолжается недолго. Стадия постоянной скорости испарения практически наблюдается (в зависимости от механического состава, структуры и плотности почвы) при насыщении почвы водой до наименьшей полевой влагоемкости. При этом передвижение воды осуществляется главным образом путем капиллярного подтока ее к поверхности испарения. Регулирование испарения воды при этой стадии процесса возможно путем прекращения подтока влаги к испаряющейся поверхности разрушением непрерывности капилляров.
Практически это возможно осуществить рыхлением поверхности почвы (боронование с целью закрытия влаги). Ho, как уже отмечалось, основные пахотнопригодные почвы (кроме почв пойм и долин, где уровень грунтовых вод находится близко к поверхности почвы, и увлажнение пахотного слоя происходит за счет этих вод) относятся к непромывному типу водного режима, поэтому насыщение этих почв свыше величины, наименьшей полевой влагоемкости, может иметь место лишь в короткий промежуток времени, в период обильных дождей (в основном, когда идут дожди). Следовательно, агротехнические приемы, предлагаемые для сохранения почвенной влаги и основанные на принципе разрушения капилляров, практически не могут оправдывать себя в наших условиях.
Вторая стадия - стадия быстропадающейся скорости испарения до точки устойчивого завядания. Этот процесс испарения воды наблюдается при интервале влажности почвы примерно от наименьшей влагоемкости до мертвого запаса влаги. На этой стадии передвижение воды к испаряющей поверхности осуществляется за счет пленочно-менисковых сил и в виде пара. Однако скорость тока воды при пленочноменисковом движении, по данным исследований многих ученых, ничтожна. Поэтому в основе регулирования испарения воды из почвы на этой стадии могут лежать агротехнические приемы, уплотняющие диффузию водяных паров в атмосферу.
Третья стадия - стадия медленно падающей, но весьма малой скорости испарения до воздушной гигроскопичности. При этой стадии в почве наблюдается передвижение воды, в основном, в виде водяных паров - диффузное передвижение.
Рассматривая общие закономерности испарения и передвижение воды в почве, нужно отметить, что Ф.Е. Колясев на основе им выдвинутой теории дифференциальной влажности почвы составил схематическую карту почв европейской части России по механизмам движения почвенной влаги в весенние, летние и осенние периоды. При этом в районах и областях, характеризующихся количеством годовых осадков менее 375 мм и почвами каштанового, буроземного, солонцевого типов, он нашел фронтальное (пленочно-менисковое) передвижение воды в почве.
Таким образом, исходя из современных представлений о процессах испарения почвенной влаги и основных механизмах передвижения ее в почве, фактического материала исследования динамики влажности, водных свойств почвы, а также суммы годовых осадков и их распределения по сезонам года, мы приходим к выводу, что в почвах пашни на богарных участках в условиях Бурятии имеет место, главным образом, вторая стадия физического испарения воды из почвы. Поэтому рассмотренные закономерности передвижения и испарения почвенной влаги должны лежать в основе построения агротехники возделываемых культур в наших условиях.
При всех прочих равных условиях важнейшим фактором, определяющим интенсивность проявления тех или иных физических процессов в почве, является плотность сложения пахотного слоя. Почвы Бурятии в естественном состоянии (целина) находятся в довольно плотном сложении - 1,3-1,4-1,5 г/см3. Этот показатель характеризует предельное уплотнение почвы под действием естественных сил, то есть так называемую «равновесную плотность» почвы.
Степень уплотнения пахотного слоя почвы зависит, прежде всего, от ее механического состава и содержания органических веществ. Легкие с малым количеством гумуса почвы к концу вегетации растений уплотняются сильнее, чем почвы с тяжелым механическим составом и богатые гумусом. Кроме естественных сил, почва уплотняется под действием рабочих органов сельскохозяйственных орудий и машин, а также колес транспортных средств. Кроме всего указанного, в хозяйствах республики из-за весьма низкой продуктивности естественных сельскохозяйственных угодий в осенние, зимние и ранневесенние периоды все сельскохозяйственные животные пасутся на жнивье (по стерне), где используют не менее 2-3 центнеров кормовых единиц с 1 гектара. Продуктивность же естественных пастбищ в сухостепной зоне не превышает 3-4 центнеров кормовых единиц с 1 гектара. После пастьбы скота, особенно овец, поверхностные слои почвы уплотняются до сверх-равновесного состояния, и разрушается ее агрегатное состояние.
Агрономической наукой установлено, что культурные растения для наилучшего развития требуют определенной величины объемной массы и твердости почвы (сопротивление к расклиниванию). При этом разные растения различно реагируют на изменение этих показателей почвы. В свою очередь, динамика объемной массы и твердости почвы зависит от степени увлажнения ее. В связи с этим интерес представляет рассмотрение изменения указанных характеристик почвы в зависимости от воздействия различных механических средств и естественных сил (табл. 48).

Эти данные свидетельствуют, во-первых, о том, что объемная масса и твердость каштановых почв по сравнению с почвами других регионов России довольно высокие; во-вторых, эти показатели находятся в прямой зависимости от глубины и способов обработки почвы, и изменения их происходят только в обрабатываемом слое. Эти почвы могут уплотняться до 1,55-1,57 г/см3 и достигать твердости (сопротивление к расклиниванию) до 28,1-30 кг/см2. При естественной усадке за вегетационный период объемная масса может достичь до 1,40-1,48 г/см3. Колеса комбайнов и тракторов уплотняют почву выше на 10,7-11,2 %, твердость увеличивается в 2,5-2,7 раза, чем при естественной усадке.
Наши определения этих показателей на производственных участках показали, что более 50 процентов площади пашни после уборочных работ (уборка зерна, соломы) уплотняется ходовыми органами уборочных и транспортных средств. Кроме того, после пастьбы овец, крупного рогатого скота, лошадей почти на всех полях к весне почва находится в состоянии сверх равновесной плотности, а зимние осадки (снег) из-за ничтожного их количества, а также глубокого промерзания почвы, не в состоянии к весне увлажнить пахотный слой и «разрыхлить» его. Практически необработанная почва может саморазрыхлиться и размягчиться лишь в период летних дождей, когда весь пахотный слой насыщается влагой.
В таблице 49 приведены результаты определения твердости почвы после посева овса до начала летних дождей (до 15 июня) и в период выпадения их (10 июля), которые свидетельствуют о том, что после промачивания пахотного слоя дождями почва заметно размягчается и особенно это видно по плоскорезным обработкам на глубину 20-22 и 12-14 см. Так, на этих вариантах после прохождения посевного агрегата твердость почвы уже с 10 до 25 см достигала до предельных величин - 28-30 кг/см2, а после дождей этот показатель снизился до 19,0-21,5 кг/см2.

При глубокой плоскорезной обработке сопротивление почвы к расклиниванию существенно ниже, особенно на глубине 20 и 25 см, чем при обработке на глубину 20-22 см. При отвальной обработке весь пахотный слой почвы, особенно нижние части, находятся в менее твердом состоянии, чем по плоскорезным обработкам. Это, по-видимому, связано с тем, что отвалы плуга лучше крошат почву, чем лапа плоскореза.
Таким образом, наблюдения заводно-физическими свойствами каштановых почв Бурятии показывают, что различные приемы обработки почвы не оказывают существенного влияния на физико-технические показатели, а более существенному изменению при обработке и увлажнении подвергается твердость почвы - сопротивление к расклиниванию. Почва после обработки плоскорезными орудиями находится в более уплотненном состоянии по сравнению со вспашкой.