Жидкая фаза почвы (вода, почвенные растворы) является ее неотъемлемой частью и выполняет разнообразные функции.
Именно эта фаза обеспечивает перераспределение веществ в почвенном профиле и формирует его как целостную систему. В самом процессе перемещения продуктов фотосинтеза и почвообразования в жидкой фазе можно выделить три типа элементарных почвенных процессов:
- мобилизация (метаморфизм минеральных или органических веществ, часто просто растворение), приводящая к элювиированию (потере) элементов, коллоидов и органоминеральных соединений;
- миграция веществ в почвенном профиле и за его пределы;
- осаждение веществ в разных формах (иммобилизация, аккумуляция) в области барьеров — физического (изменение плотности и структуры порового пространства, испарительный барьер на границе капиллярной каймы, градиенты влажности), биохимического (карбонатизация, сульфатизация), физико-химического (изменения окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий, поглотительной способности).
Процессы перемещения вещества и энергии с жидкой фазой почвы
С осаждением веществ связано образование иллювиальных горизонтов.
Соотношение процессов элювиирования, миграции и иллювиирования определяет тип строения почвенного профиля. Эти процессы отражены в названиях многих генетических горизонтов, что способствует пониманию генезиса почв.
Почвенная влага представляет собой, во-первых, особую физико-химическую систему, в которой протекают различные процессы и химические реакции, необходимое звено в межфазных взаимодействиях, во-вторых, транспортную геохимическую систему, обеспечивающую перемещение продуктов почвообразования в профиле и экосистеме, в-третьих, систему жизнеобеспечения растений, поденных животных и микроорганизмов.
Категории почвенной влаги
Вода в почвах может находиться в разных состояниях, отличающихся физическими свойствами и функциями. Порции почвенной воды, обладающие одинаковыми свойствами, называются категориями, или формами, почвенной влаги.
Различают пять категорий почвенной влаги: химически связанная; парообразная; физически связанная, или сорбированная; свободная; твердая.
Категории (формы) почвенной влаги
Химически связанная вода представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, марганца, органические и органо-минеральные соединения, глинистые минералы) и целыми водными молекулами кристаллогидратов (например, гипс — CaSO4 · 2Н2O). Эта вода входит в состав твердой фазы почвы и не является самостоятельным водным телом и растворителем, не перемещается.
Парообразная вода всегда содержится в почве. При понижении температуры почвы парообразная вода в результате конденсации переходит в жидкую. Она играет чрезвычайно важную роль в обеспечении почвенных обитателей водой в условиях резкого дефицита доступной влаги.
Физически связанная, или сорбированная, вода — это вода, сорбированная на поверхности твердых частиц. В зависимости от прочности удержания воды сорбционными силами твердых частиц, физически связанная вода подразделяется на две подсистемы: прочносвязанную и рыхлосвязанную.
Прочносвязанная вода — это вода, поглощенная почвой из парообразного состояния. Свойство почвы сорбировать парообразную влагу на поверхности твердых частиц называют гигроскопичностью почв, а поглощенную таким образом влагу — гигроскопической. Гигроскопическая влага неподвижна, не замерзает, не растворяет электролиты, не доступна растениям.
Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха 94—98 %, называют максимальной гигроскопической водой. Значение этого показателя зависит от величины удельной поверхности почвы и обычно изменяется от 0,5—1,0 % (в песчаных Сдабогумусированных почвах) до 15—16% (в сильногумусированных суглинистых и глинистых почвах). В торфяных почвах МГ может достигать 30—50 %.
Рыхлосвязанная (пленочная) вода — это вода, поглощенная из жидкого состояния и удерживаемая в почвах на поверхности частиц сорбционными силами сверх значений максимальной гигроскопичности. Пленочная вода может очень медленно перемещаться в жидкой форме. Она частично доступна для растений.
Свободная вода находится вне зоны действия сорбционных сил. Эта форма воды подразделяется на два подтипа: капиллярную и гравитационную.
Капиллярная вода удерживается в почвенных капиллярах под действием менисковых (капиллярных) сил. Менисковые силы проявляются в порах диаметром от 3 до 100 мкм. Капиллярная вода высоко подвижная. Она подразделяется на капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую. Капиллярно-подвешенная вода образуется при промачивании почв сверху (во время дождя или полива). Она удерживается в почве менисковыми силами и как бы «висит» над сухим слоем. Капиллярно-подпертая вода — это капиллярная вода, связанная с грунтовыми водами и с водоподъемной способностью почвы.
Гравитационная вода свободно стекает в почве под действием гравитационных сил. Если все поры в почве заполняются водой, то в почве формируется водоносный горизонт. Воды внутрипочвенных: водоносных горизонтов подразделяют на грунтовые, почвенной грунтовые и почвенные (почвенная верховодка — гравитационная) вода, временно скапливающаяся с образованием водоносного горизонта в профиле почвы над водоупорным слоем). Характерна для почв на двучленных почвообразующих породах.
Твердая вода в почве — это лед, образующийся при промерзаний почвы в зимний период. Лед разрыхляет почву и играет важную роль в формировании почвенной структуры. Поскольку почвенная вода — всегда раствор, температура ее замерзания ниже 0 °С. В результате закупорки пор льдом в почве возможно образование водонепроницаемого «запирающего» слоя в весенний период, над которым временно застаивается внутрипочвенная вода.
Все формы воды в почве образуют единую водоносную систему. Парообразная, химически и физически связанные формы води всегда присутствуют в почве. Гравитационная вода появляется в почве периодически, после выпадения осадков объемом выше 5 мм. При залегании уровня грунтовых вод в границах профиля гравитационная вода может находиться в почве постоянно. Содержание капиллярных форм влаги в почве зависит от частоты выпадений осадков и расхода влаги на транспирацию и испарение. При близком залегании уровня грунтовых вод капиллярная влага присутствует в профиле почвы постоянно.
Почвенные растворы
По В. В. Докучаеву, почвенная влага — это своего рода «кровь ландшафта», насыщенная разнообразными химическими элементами вода, по В. И. Вернадскому, — это «основной субстрат жизни», активный участник всех почвенных процессов.
Почвенный раствор — это жидкая фаза почвы, особая геохимическая система, включающая растворенные соли, органические и органо-минеральные соединения, газы и коллоиды. Почвенный раствор является продуктом почвообразования и жизнедеятельности почвенных обитателей. Приведена схема, помогающая представить влияние разных форм почвенной влаги на формирование почвенного раствора. Он включает в себя все формы свободной, капиллярной, рыхлой и частично прочносвязанной воды.
Почвенный раствор образуется в процессе взаимодействия поступающей в почву атмосферной (поливной) или грунтовой влаги с твердой, газообразной и живой фазами почвы. Он характеризуется составом катионов и анионов. К важнейшим катионам почвенного раствора относятся Са2+, Mg2+, Na+, К+, NH4+, Н+, Al3+, Fe3+, Fe2+. Среди анионов преобладают HCO32-, CO32-, NO3—, Cl—, SO42-, H2PO4—, HPO42-.
Величина pH почвенных растворов изменяется в широком диапазоне: от 3—4 в кислых почвах до 8—9 в карбонатных, достигая максимума (10—11) в солонцах и содовых солончаках.
Концентрация растворов в разных типах почв изменяется от десятков миллиграммов до нескольких граммов на 1 л раствора. В засоленных почвах концентрация почвенного раствора может достигать нескольких десятков граммов на 1 л. Наиболее низкими концентрациями характеризуются подзолистые и болотные почвы Нежной зоны.
Содержание углерода в почвенных растворах подзолистых почв достигает нескольких десятков миллиграммов на 1 л.
Тесная связь с испарением, с жизнедеятельностью растений и микроорганизмов обусловливает ярко выраженную суточную и сезонную динамику концентрации и состава почвенного раствора; Изменение концентрации и состава раствора в свою очередь приводит к изменению режима водного и минерального питания растений.