Водный баланс почвы. Почвенно-гидрологические константы

Водные ресурсы могут быть оценены лишь на основании водного баланса. Следует не увлажнять почву, с которой непродуктивно расходуется много воды, а обеспечивать необходимым количеством воды растения. Дифференциация водного баланса ограничивается подразделением речного стока на поверхностную и подземную составляющие, а испарение оценивается суммарно. Тем не менее такая дифференциация речного стока представляет существенный шаг в развитии исследований водного баланса, так как позволяет решить ряд вопросов, остававшихся невыясненными при использовании уравнения водного баланса P = R + E (R — полный сток, Е — испарение). Уравнение водного баланса Р = R + Е не раскрывает литологического звена круговорота воды — гидрологических процессов, связанных с почвой и земной корой. В. Г. Глушков (1934), развивая представления о закономерностях взаимосвязей между осадками, стоком и испарением, ввел в уравнение водного баланса еще один элемент — инфильтрацию. Это имело важное теоретическое значение, но уравнение водного баланса В. Г, Глушкова практически не могло быть решено, так как четвертый член уравнения— инфильтрация —оставался нераскрытым.

Следовательно, водный баланс территории речного бассейна может быть раскрыт путем анализа речного стока. Разделяя его на поверхностную и подземную составляющие и располагая данными об осадках, можно определить и другие элементы водного баланса — инфильтрацию и испарение.

Для непродолжительных периодов — сезонов и отдельных лет — велика вероятность того, что не все его элементы замыкаются. Особенно это относится к литологическому звену круговорота воды. В этом случае в уравнение водного баланса следует ввести еще один дополнительный член (± V), характеризующий количество воды, переходящей из данного периода в следующий или расходуемой в течение данного периода за счет накопления воды в предыдущем периоде. Исследования этого вопроса применительно к прежнему уравнению водного баланса (Р = R + Е ± V) показали, что V достигает в балансе за год больших величин, но точность его определений зависела от несовершенных приемов вычислений испарения с суши. Для того, чтобы разобраться в поставленном вопросе, необходимо проанализировать происхождение этого элемента водного баланса. В основу анализа примем дифференцированное уравнение водного баланса.

Атмосферные осадки могут сыграть роль в перераспределении элементов водного баланса за счет снежного покрова. Формируясь в один период, снежный покров может залегать в речение более или менее длительного времени и перейти в другой период, если граница последнего придется на предвесеннее время. Однако такого случая можно избежать путем соответствующего подбора периодов. Гидрологический год соответствует этому условию.

Поверхностный сток настолько динамичен, что сколько-нибудь существенного перераспределения во времени водного баланса за счет этого элемента произойти не может. Действительно, стекание воды со склонов до ближайшего русла продолжается в течение нескольких часов и количество текущей воды, единовременно находящейся на склоне, невелико. Поэтому нет оснований считать, что поверхностный сток может повлиять на распределение водного баланса во времени.

Отсюда следует, что соотношение W = Р —S одинаково применимо как для длительных периодов времени и средних многолетних условий, так и для любого отрезка времени, если соблюдено условие, отвечающее гидрологическому году. В отношении инфильтрации (W) этот вывод не только вытекает из выражения W = Р — S, поскольку ни осадки, ни поверхностный сток не влияют на перераспределение элементов водного баланса, но его правомерность определяется также и самим процессом инфильтрации. Это явление происходит во время выпадения дождя или во время снеготаяния и продолжается в течение короткого времени — до достижения поверхностным склоновым стоком русловой сети, т. е. в течение времени добегания поверхностного стока после прекращения дождя или после окончания снеготаяния. Таким образом, имеется вполне достаточное основание считать, что инфильтрация за год или за сезон, определяемая по количеству осадков и по объему поверхностного стока, не участвует в перераспределении водного баланса во времени и не зависит от значений его элемента.

Инфильтрация сопоставляется с испарением и питанием подземных вод (W = U + Е). Эти процессы происходят неодновременно. Вода, аккумулированная в почве, расходуется на испарение и на транспирацию в течение последующего, иногда продолжительного времени. Вода, аккумулированная в почве осенью, часто сохраняется в течение всей зимы и расходуется на испарение в следующем году. Точно так же процесс питания подземных вод продолжается в течение длительного времени после почвенной влагозарядки. Отсюда следует, что, сопоставляя валовое увлажнение почвы с испарением и глубоким просачиванием воды, необходимо считаться с неодновременностью этих процессов и учитывать регулирующую роль почвенной влаги.

Данные о водном балансе характеризуют водные ресурсы. Атмосферные осадки не представляют самостоятельного источника водных ресурсов. Осадки служат началом всех гидрологических процессов — инфильтрации, поверхностного стока и т. п. Лишь в отдельных случаях дождевые воды собираются и используются для водоснабжения. Наиболее ценный источник водных ресурсов— подземный сток. Ресурсы подземной составляющей речного стока примерно соответствуют возобновимым запасам подземных вод. Чаще всего паводочные воды своими разливами приносят больше вреда, чем пользы, и их комплексное, интенсивное использование возможно лишь после регулирования. Таким образом, паводочные воды по существу представляют потенциальные речные водные ресурсы. Устойчивый же сток рек, который может быть использован без предварительного регулирования, относится к реальным речным водным ресурсам.

Современное гидротехническое строительство позволяет осуществлять в больших масштабах перевод потенциальных речных водных ресурсов в категорию реальных. Паводочный речной сток представляет потенциальные ресурсы не только в отношении перевода его в устойчивый речной сток, но также и для увеличения почвенной влаги. Такое направление использования паводочного стока связано с преобразованием водного баланса территории, с регулированием стока в начальной стадии его развития — в процессе стекания воды по склонам. Увеличение инфильтрационной способности почвенного покрова, осуществляемое различными агротехническими приемами, позволяет перевести поверхностный сток в почву и этим уменьшить паводочный сток. Таким путем потенциальные водные ресурсы — паводочный сток — трансформируются в две более высокие категории водных ресурсов: в устойчивый речной сток и в ресурсы почвенной влаги. С возрастанием количества почвенной влаги связано увеличение питания подземных вод, их возобновимых запасов. Это представляет собой третье направление использования поверхностного стока.

Таковы общие задачи преобразования водного баланса.

Наличие разных форм воды подразумевает, что содержание воды данной формы в почве постоянно. Эти величины называют почвенными гидрологическими константами. Их можно представить как точки на шкале влажности почвы, при которой изменения подвижности воды соответствуют изменениям ее качественного состояния. Эти состояния почвенной влаги характеризуют ее доступность для растений. Следовательно, почвенно-гидрологические константы имеют и агрономический смысл. Их называют еще влагоемкостью. Выделено пять таких констант, измеряемых содержанием воды в почве, выраженной в процентах от ее веса и объема.

1. Максимальная адсорбционная влагоемкость, характеризуемая максимальным количеством воды, удерживаемой в почве силами адсорбции. Эта вода недоступна для растений.

2. Максимальная гигроскопичность, характеризуемая максимальной способностью почвы впитывать парообразную влагу при высокой степени насыщенности воздуха водяным паром (при относительной влажности воздуха более 94%). Эта влага недоступна для растений.

3. Влажность устойчивого завядания растений — запас влаги, при котором наблюдается постоянное завядание растений, причем растения не восстанавливают тургор даже после переноса во влажную атмосферу. Следовательно, в почве остается только недоступная для растений вода. Это количество влаги называют также коэффициентом завядания.

4. Наименьшая, или полевая, влагоемкость (НВ). Ей соответствует то количество воды, в которое включаются все виды почвенной влаги, кроме гравитационной и капиллярно-подпертой. Это верхний предел доступной растениям почвенной влаги после стенания гравитационной воды.

5. Полная влагоемкость (ПВ) — ее называют еще предельной влагоемкостью — наибольшее количество влаги, удерживаемое почвой через несколько дней после поливов или обильных осадков, когда все почвенные пространства заполнены водой, а поглощающая способность почвы полностью реализована.

Таким образом, интервал доступной растениям влаги ограничивается двумя величинами — полной (или предельной) влагоемкостью и влажностью устойчивого завядания. Коэффициент завядания — физиологический показатель, а не физическая константа. Доказано, что влажность устойчивого завядания не является физической константой, а зависит как от свойств почв, так и от биологических особенностей растений.