Физические режимы почв. Режимы влажности

Рабочий учебный план – по сути, это технологическая маршрутная карта учебного процесса.
4 года - бакалавр
+1(2) года –
магистр
Научно-исслед.. работа
Общее
почвоведение
География почв
Физика, химия..
почв
Почвообразовательные
процессы
Кто я?
Что я умею?
Где могу приго-диться?

Вопрос: «Кто я?
Что я умею?
Где могу пригодиться?»
Требует ответа на вопросы:
«Какой образ почвы мы изучаем?»
«Что я знаю по почвоведению?»
«Чему меня учили о почве?»
«Где могут пригодиться мои университетские знания о почве?»

Эволюция и распространение почв по В.В.Докучаеву
Это описательная модель почвы,
научное содержание которой ограничивается законами географического распространения и гипотезами эволюции почв
В отношении расчетов, инженерных сооружений и пр.,
– эта концепция бессодержательна

Количественная оценка – основа практического применения, прогноза и использования почв
Верхняя граница
Нижняя граница
Законы переноса веществ и энергии
Закон баланса
Законы сорбции/десорбции, обмена веществ
Кинетики образования и распада
и др. количественные законы
Это физическая модель почвы,
которую можно изучать совместно с математикой
В отношении длительной эволюции,
географического распространения почв
- данная концепция бессодержательна

Следствия от рассуждений

Докучаевское почвоведение, как мировоззрение и философия природы, - прекрасный инструмент для понимания распространения почв.

Но на данный момент монотеоретичного почвоведения, безусловно, является тормозом для развития цифрового, расчётного, конструктивистского понимания почвы

Режимы влажности почв

Режим влажности почвы —
совокупность всех количественных и качественных изменений влажности в почвенно-грунтовой толще с течением времени.

ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ
— совокупность явлений, определяющих поступление, передвижение, расходование и изменение физического состояния почвенной влаги.

Баланс – количественное выражение режима почв.
РЕЖИМ – условия деятельности, работы, существования чего-либо.
БАЛАНС – соотношение взаимно связанных показателей какой-либо деятельности, процесса.

Плотность почвы

Значение плотности почвы
ρb, г/см3

Для расчетов запасов веществ
Балансовые единицы: т/га, кг/м2
Запасы вещества (ЗВ) в толще почвы (h , см) рассчитываются по содержанию вещества (С, г/г) и по плотности (ρb, г/см3)
ЗВ= С·h·ρb [г/см2]

Плотность почв определяют в естественных условиях цилиндром определенного объема (Vt), вырезающего из почвы массу ненарушенной почвы, сушат (ms)
Рассчитывают плотность почв:

Плотность почв определяют в естественных условиях цилиндром определенного объема (Vt), вырезающего из почвы массу ненарушенной почвы, сушат (ms)
Рассчитывают плотность почв

Вынутая
почва массой m
объем воды, V2
пленка
Цилиндр
с меткой
Поверхность почвы

Количественное выражение водного режима почвы — баланс водный почвенный.
Водный режим — важный фактор, определяющий тип почвообразования.
Типы водного режима почв: амфибиальный, аридный, водозастойный (болотный), выпотной, десуктивно-выпотной, ирригационный, мерзлотный, непромывной, осушительный, паводковый, периодически водозастойный, периодически промывной, промывной, промывной сезонно-сухой (саванновый) и др.

Водный баланс почв и его составляющие
Использование балансовых единиц.
Транспирация растений составляет 10 мг Н2О с листа растения площадью 12,5 см2 за 3 мин.
Рассчитать транспирацию в см водного слоя за сутки.

Решение
10 мг составляет 0,01 г или 0,01 см3 воды.
В см водного слоя это составит 0,01 см3 / 12,5 см2 =0, 0008 см водного слоя.
Это количество растение транспирировало за 3 мин. За 1 час – в 20 раз больше – 0,016 см водного слоя, а за 12 часов (так как растение транспирировало в основном в светлое время суток), 0,192 см водного слоя за сутки.
Ответ: транспирация составит 0,192 см водного слоя за сутки (следует округлить до 0,19 см водного слоя).

Элементы водного режима почвы:
впитывание,
фильтрация,
капиллярный подъём,
сток нисходящий, поверхностный и боковой,
испарение,
десукция,
замерзание,
оттаивание,
конденсация воды.

Рассчитать запас влаги [см водного слоя] в 25-сантиметровой толще почвы, если её влажность составляет 25,5%, а плотность 1,24 г/см3.
Задача

Решение
Используем уравнение для расчёта запасов воды в конкретном слое почвы, но с учётом, что влажность в условии задачи выражена в %, а необходимо в г/г:
ЗВ=25,5/100 х 1,25= 7,905 см водного слоя.
Ответ: 7,91 см водного слоя.

Soil Water Relationships

Soil Properties
Texture
Definition: relative proportions of various sizes of individual soil particles
USDA classifications
Sand: 0.05 – 2.0 mm
Silt: 0.002 - 0.05 mm
Clay: <0.002 mm
Textural triangle: USDA Textural Classes
Coarse vs. Fine, Light vs. Heavy
Affects water movement and storage
Structure
Definition: how soil particles are grouped or arranged
Affects root penetration and water intake and movement

Field Capacity (FC or θfc)
Soil water content where gravity drainage becomes negligible
Soil is not saturated but still a very wet condition
Traditionally defined as the water content corresponding to a soil water potential of -1/10 to -1/3 bar
Permanent Wilting Point (WP or θwp)
Soil water content beyond which plants cannot recover from water stress (dead)
Still some water in the soil but not enough to be of use to plants
Traditionally defined as the water content corresponding to -15 bars of SWP

Available Water
Definition
Water held in the soil between field capacity and permanent wilting point
“Available” for plant use
Available Water Capacity (AWC)
AWC = θfc - θwp
Units: depth of available water per unit depth of soil, “unitless” (in/in, or mm/mm)
Measured using field or laboratory methods (described in text)

Soil Hydraulic Properties and Soil Texture

Fraction available water depleted (fd)
(θfc - θv) = soil water deficit (SWD)
θv = current soil volumetric water content
Fraction available water remaining (fr)
(θv - θwp) = soil water balance (SWB)

Total Available Water (TAW)
TAW = (AWC) (Rd)
TAW = total available water capacity within the plant root zone, (inches)
AWC = available water capacity of the soil, (inches of H2O/inch of soil)
Rd = depth of the plant root zone, (inches)
If different soil layers have different AWC’s, need to sum up the layer-by-layer TAW’s
TAW = (AWC1) (L1) + (AWC2) (L2) + . . . (AWCN) (LN)
- L = thickness of soil layer, (inches)
- 1, 2, N: subscripts represent each successive soil layer
[Error on page 26 of text: change SWD ? TAW ]

Horizontal movement due to capillarity
Vertical movement due largely to gravity
Gravity vs. Capillarity

Water Infiltration
Def’n.: the entry of water into the soil
Influencing Factors
Soil texture
Initial soil water content
Surface sealing (structure, etc.)
Soil cracking
Tillage practices
Method of application (e.g., Basin vs. Furrow)
Water temperature

Cumulative Infiltration Depth vs. Time
For Different Soil Textures

Infiltration Rate vs. Time
For Different Soil Textures

Water Infiltration Rates and Soil Texture

Soil Infiltration Rate vs. Constant Irrigation Application Rate

Soil Infiltration Rate vs. Variable Irrigation Application Rate

Depth of Penetration
Can be viewed as sequentially filling the soil profile in layers
Deep percolation: water penetrating deeper than the bottom of the root zone
Leaching: transport of chemicals from the root zone due to deep percolation

Water Storage in Layered Soil Profiles

USDA Textural Triangle

Bulk Density (ρb)
ρb = soil bulk density, g/cm3
Ms = mass of dry soil, g
Vb = volume of soil sample, cm3
Typical values: 1.1 - 1.6 g/cm3
Particle Density (ρp)
ρP = soil particle density, g/cm3
Ms = mass of dry soil, g
Vs = volume of solids, cm3
Typical values: 2.6 - 2.7 g/cm3

Porosity (φ)
Typical values: 30 - 60%

Water in Soils
Soil water content
Mass water content (θm)
θm = mass water content (fraction)
Mw = mass of water evaporated, g (≥24 hours @ 105oC)
Ms = mass of dry soil, g

Volumetric water content (θv)
θV = volumetric water content (fraction)
Vw = volume of water
Vb = volume of soil sample
At saturation, θV = φ
θV = As θm
As = apparent soil specific gravity = ρb/ρw (ρw = density of water = 1 g/cm3)
As = ρb numerically when units of g/cm3 are used
Equivalent depth of water (d)
d = volume of water per unit land area = (θv A L) / A = θv L
d = equivalent depth of water in a soil layer
L = depth (thickness) of the soil layer

Volumetric Water Content & Equivalent Depth
(g)
(g)
(cm3)
(cm3)
Equivalent Depth

Volumetric Water Content & Equivalent Depth
Typical Values for Agricultural Soils
1 in.
0.50 in.
0.15 in.
0.20 in.
0.15 in.
Soil Solids (Particles): 50%
Total Pore Space: 50%
Very Large Pores: 15% (Gravitational Water)
Medium-sized Pores: 20% (Plant Available Water)
Very Small Pores: 15% (Unavailable Water)

Water-Holding Capacity of Soil
Effect of Soil Texture
Coarse Sand Silty Clay Loam
Gravitational Water
Water Holding Capacity
Available Water
Unavailable Water
Dry Soil

Soil Water Potential
Description
Measure of the energy status of the soil water
Important because it reflects how hard plants must work to extract water
Units of measure are normally bars or atmospheres
Soil water potentials are negative pressures (tension or suction)
Water flows from a higher (less negative) potential to a lower (more negative) potential

Components
ψt = total soil water potential
ψg = gravitational potential (force of gravity pulling on the water)
ψm = matric potential (force placed on the water by the soil matrix – soil water “tension”)
ψo = osmotic potential (due to the difference in salt concentration across a semi-permeable membrane, such as a plant root)
Matric potential, ψm, normally has the greatest effect on release of water from soil to plants
Soil Water Potential

Soil Water Release Curve
Curve of matric potential (tension) vs. water content
Less water → more tension
At a given tension, finer-textured soils retain more water (larger number of small pores)

Height of capillary rise inversely related to tube diameter
Matric Potential and Soil Texture
The tension or suction created by small capillary tubes (small soil pores) is greater that that created by large tubes (large soil pores). At any given matric potential coarse soils hold less water than fine-textured soils.

Soil Water Measurement
Gravimetric
Measures mass water content (θm)
Take field samples → weigh → oven dry → weigh
Advantages: accurate; Multiple locations
Disadvantages: labor; Time delay
Feel and appearance
Take field samples and feel them by hand
Advantages: low cost; Multiple locations
Disadvantages: experience required; Not highly accurate

Neutron scattering (attenuation)
Measures volumetric water content (θv)
Attenuation of high-energy neutrons by hydrogen nucleus
Advantages:
samples a relatively large soil sphere
repeatedly sample same site and several depths
accurate
Disadvantages:
high cost instrument
radioactive licensing and safety
not reliable for shallow measurements near the soil surface
Dielectric constant
A soil’s dielectric constant is dependent on soil moisture
Time domain reflectometry (TDR)
Frequency domain reflectometry (FDR)
Primarily used for research purposes at this time
Soil Water Measurement

Soil Water Measurement
Neutron Attenuation

Tensiometers
Measure soil water potential (tension)
Practical operating range is about 0 to 0.75 bar of tension (this can be a limitation on medium- and fine-textured soils)
Electrical resistance blocks
Measure soil water potential (tension)
Tend to work better at higher tensions (lower water contents)
Thermal dissipation blocks
Measure soil water potential (tension)
Require individual calibration
Soil Water Measurement

Tensiometer for Measuring Soil Water Potential
Porous Ceramic Tip
Vacuum Gauge (0-100 centibar)
Water Reservoir
Variable Tube Length (12 in- 48 in) Based on Root Zone Depth

Electrical Resistance Blocks & Meters

Типы водного режима почв: промывной

Типы водного режима почв: непромывной

Типы водного режима почв: выпотной

Амфибиальный тип водного режима почв
— водный режим, который формируется в постоянно затопленных участках дельт рек, морских и озерных мелководий или в периодически затопляемых приливными водами мангровых зарослях. Почвы в таких условиях находятся в постоянном переувлажнении.

Аридный тип водного режима почв
— водный режим, встречаемый в полупустынях и пустынях.
В течение года влажность всего почвенного профиля близка влажности завядания.

Водозастойный (болотный) тип водного режима почв
— водный режим, характерный для болотных почв атмосферного увлажнения (при отношении количества осадков к испарямости > 1) или некоторых болотных почв грунтового увлажнения.
Влажность почвы в течение всего года соответствует значениям полной влагоёмкости и лишь в отдельные годы в засушливые периоды снижается до наименьшей влагоёмкости.

Выпотной тип водного режима почв
— водный режим почв, который наблюдается при преобладании испаряемости над осадками (отношение осадков к испарямости << 1).
Создается в тех засушливых областях, где годовая испаряемость значительно превышает годовую сумму осадков, но грунтовые воды подходят близко к дневной поверхности, так что их капиллярная кайма достигает поверхности почвы (хотя бы периодически) и влага подвергается физическому испарению (выпотевает).
Возникает восходящий ток влаги. Если при этом степень минерализации грунтовых вод высокая, то после испарения влаги в верхнем горизонте почвы могут накапливаться водорастворимые соли.

Десуктивно-выпотной тип водного режима почв
− такой водный режим, при котором, в отличие от выпотного типа водного режима, капиллярная кайма грунтовых вод не достигает поверхности, а перехватывается всасывающими влагу корнями растений и испаряется траспирационно. Близок выпотному типу водного режима почв, но грунтовые воды и их капиллярная кайма залегают глубже. Расход воды происходит за счёт потребления корнями растений влаги из капиллярной каймы. Поэтому находящиеся в грунтовых водах соли накапливаются не на поверхности почвы, а на некоторой глубине в почвенном профиле — в зоне перехвата влаги корнями. Десуктивно-выпотной тип водного режима почв складывается из двух периодов. После весеннего снеготаяния или обильных весенне-летних дождей почвы промачиваются до уровня почвенно-грунтовых вод. В этот период преобладает нисходящий ток воды. По мере подсыхания почвы нисходящий ток сменяется восходящим.
Почвы с таким типом водного режима характеризуются высокой влажностью в нижней части профиля. Верхняя часть почвенного профиля летом может иссушаться до такой влажности, которая меньше влажности завядания.
Десуктивно-выпотной тип водного режима характерен для полугидроморфных почв (лугово-черноземных, лугово-каштановых и др.).

Ирригационный тип водного режима почв
— водный режим, который создается искусственно, при поливе почв. Отличается частой сменой нисходящих и восходящих токов воды. Оптимизация водного режима почв достигается в результате искусственного изменения водного режима почв.
При этом учитывается как физиологические особенности сельскохозяйственных растений, так и особенности почвенно-климатических условий зоны.

Расчёты поливной и оросительной нормы
Задача
Требуется полить серозём. Расчётный слой 100 см, который состоит из слоёв с различными плотностями почвы:
0-40см – 1.1г/см3, 40-80 – 1,34г/см3 и 80-100см – 1,41г/см3.
Текущие (предполивные) влажности этих слоёв 15, 20 и 18%, а НВ – соответственно 28, 26 и 24%.
Определить норму полива.

Решение:
Рассчитаем необходимое количество воды для увеличения влажности от исходной до НВ в каждом слое.
Дефицит влаги в слое 0-40 см составит (28-15) х 1,1х 40 / 10 =57,2 мм;
для 2-го слоя (26-20)х1,36х40 /10= 32,16 мм;
Для 3-го слоя (24-18)х1,41х20 / 10=16,92мм.
Ответ: норма полива будет являться суммой дефицитов всех слоёв и равна 57,2+32,16+16,92=106,28 мм водного слоя или около 1063 м3/га.

Мерзлотный тип водного режима почв
— водный режим почв, характерный для районов, в которых распространена многолетняя мерзлота (вечная мерзлота). При постепенном оттаивании почв сверху вниз, над отступающей границей мерзлого слоя образуется водоносный горизонт — мерзлотная почвенная верховодка.

Непромывной тип водного режима почв
— водный режим, характерный для районов, где средняя годовая сумма осадков существенно меньше средней годовой испаряемости (отношение осадков к испарямости < 1). Промачивание почвенной толщи осуществляется лишь на некоторую глубину (обычно 1−2 м, не более 4 м), ниже которой находится непромачиваемый слой с постоянной низкой влажностью, близкой к влажности завядания (мертвый горизонт иссушения). К осени промачиваемый горизонт обычно иссушается до влажности завядания. Примером почв с непромывным типом водного режима могут служить черноземы степной зоны, бурые полупустынные и серо-бурые пустынные почвы.

Осушительный тип водного режима почв
— водный режим, характерный для искусственно осушенных почв, имевших избыточное или периодически избыточное переувлажнение, т. е. болотных и заболоченных.

Паводковый тип водного режима почв
— водный режим, свойственный почвам, периодически затапливаемых речными, склоновыми, дождевыми или иными водами.

Периодически водозастойный тип водного режима почв
— водный режим, наблюдаемый в болотных почвах грунтового увлажнения, которым свойственны сезонные колебания уровня грунтовых вод, при этом влажность почвы изменяется от полной до наименьшей влагоемкости.
В отдельные годы влажность верхнего горизонта может становиться ниже наименьшей влагоемкости.

Периодически промывной тип водного режима почв
− водный режим, который устанавливается при отношении осадков к испарямости 0,8−1,2. Характерно периодическое сквозное промачивание почвенно-грунтовой толщи, обычно однократное. Сквозное промачивание почвы избыточным количеством осадков наблюдается 1−2 раза в течение нескольких лет.
Периодически промывной тип водного режима почв присущ, например, почвам влажных тропических саванн.

Промывной тип водного режима почв
− водный режим, распространенный на территориях, где сумма годовых осадков значительно превышает количество воды, испаряющейся из почвы (отношение осадков к испарямости > 1). Характерно ежегодное (однократное или многократное) сквозное промачивание почвенно-грунтовой толщи до грунтовых вод, которое происходит преимущественно весной, во время снеготаяния.
При промывном типе водного режима почв нисходящие потоки влаги преобладают над восходящими. В условиях таежно-лесной зоны приводит к развитию подзолообразовательного процесса и выщелачивания.
Превышение количества осадков над испаряемостью и близкое залегание грунтовых вод или плохая водопроницаемость почвенно-грунтовой толщи формирует болотный подтип водного режима.
Промывной тип водного режима характерен, например, для болотных и подзолисто-болотных почв.

Режим влажности почвы
— совокупность всех количественных и качественных изменений влажности в почвенно-грунтовой толще с течением времени.

Движение влаги и растворённых веществ в почвах
25 февраля 2021 года

Вопрос 1.
Каким образом происходит гравитационное стекание влаги и конвективный перенос растворенных веществ в насыщенной почвенной толще?
Каков вклад в массоперенос преимущественных путей движения влаги?
?

Схема полевых фильтрационных экспериментов

Зарисовка морфологии почвенных срезов и крахмальных пятен

Послойное распределение плотности
и ионов-меток в почвенной толще

Выходные кривые ионов хлора
и калия одного из секторов лизиметра

Топоизоплеты и выходные кривые температуры почвы дерново-подзолистой почвы (глубина 20 см).
12:25
12:45

Вывод 1
При вертикальной миграции растворов основной поток влаги локализован в небольшом объёме порового пространства структурных почв.
!

Вопрос?
Как происходит перенос влаги и растворенных веществ в отдельных генетических горизонтах и их сочетаниях?
?
Объект исследования:
Серые почвы Владимирского ополья.
Методы исследования:
Лабораторные фильтрационные эксперименты.

Схема лабораторного фильтрационного эксперимента
Насыщение почвенной колонки водой
Почвенный
монолит-колонка
Порционный сбор
фильтрата

Схема лабораторного фильтрационного эксперимента
Горизонтальные срезы
Окрашивание крахмалом

Монолит горизонта Апах

Почвенные колонки-монолиты
d = 16 см
h = 24 см
l = 25 см
ЕВ
ЕВ

Монолит Апах
Распределение иона калия, %
Монолит Аh

Распределение иона калия, %
Монолит Апах-Аh-ЕВ
Монолит Аh-ЕВ

Выходные кривые ионов калия и хлора

Количество элементов, вынесенных
с фильтратом, (% от поступившего)

Вывод
Формирование преимущественных путей характерно для всех горизонтов. Быстрые процессы переноса влаги и растворенных веществ обусловлены не только свойствами отдельных горизонтов, но и их взаимным расположением. Влагопроводящие пути, сформированные в одном горизонте, лишь частично переходят в другой.
!

Вопрос
Как формируются преимущественные пути движения влаги в годовом цикле?
?
Объект исследования:
дерново-подзолистые почвы лизиметров МГУ
Методы исследования:
метод больших лизиметров,
многолетний эксперимент

ЛИЗИМЕТРЫ МГУ
Площадь: 8 м2
Глубина: 1,75 м
Мощность почвы: 1,5 м
Повторность вариантов: 4
Начало эксперимента: 1961г.
Сбор фильтрационных вод
Лизиметрические установки

Схема строения модельных дерново-подзолистых почв в лизиметрах Почвенного стационара МГУ

Варианты исследования
1 ВАРИАНТ:
Глубокий плантаж –
Дерново-подзолистая легкоглинистая
2 ВАРИАНТ :
Вспашка по Мосолову – Дерново-подзолистая
среднесуглинистая

Годовая динамика элементов водного баланса дерново-подзолистых почв
Вариант I
Вариант II

Многолетнее соотношение сток/осадки в сезоны годового цикла. Вариант 1.

Гидротермический режим почв в период весеннего снеготаяния:
а) - лизиметрический сток, мм/час и температура воздуха на высоте 1 м от поверхности почв лизиметров, °С;
б) - изоплеты относительной влажности (% от НВ) и глубины промерзания почв .

ноя дек янв фев мар апр май июн
ноя дек янв фев мар апр май июн
Динамика лизиметрического стока и температуры лизиметрических почв, 2005 г.
Вариант I
Вариант II
Сток, мм

Динамика осадков и разница стока между вариантами в годы лизиметрического эксперимента

Выходные кривые калия и коэффициент фильтрации горизонта В2пах варианта глубокого плантажа лизиметрических почв МГУ

Динамика содержания илистой фракции в отдельных горизонтах исследуемых почв

Вывод
Основные быстрые процессы переноса влаги приурочены к переходным периодам весеннего снеготаяния и осеннего промерзания.
Они занимают короткий временной отрезок в годовом цикле и отличаются высокой скоростью изменения физического состояния почв.
!

Мы должны ориентироваться на создание технологического образа почвы,
образа, который позволит оперировать цифрами,
расчётами, количественной информацией.