Основы — Динамика почвенной воды

Основы - Динамика почвенной воды

Ссылка: O'Geen, A. T (2013) Динамика почвенной воды. Знание о природе 4(5):9

Каковы взаимосвязи между запасами влаги в почве, потоком воды в почве и свойствами почвы?

Способность почвы регулировать запас наземной пресной воды является фундаментальной функцией экосистемы. Вода, просачивающаяся через почву, фильтруется, сохраняется для использования растениями и перераспределяется по путям течения в подземные и поверхностные водоемы. Таким образом, устойчивость водных ресурсов (учитывая как количество, так и качество) напрямую зависит от почвы. Таким образом, большинство аспектов наземной и пресноводной жизни зависят от гидрологических процессов в почве (O'Geen и друг. 2010). Динамика воды в почве определяется многими факторами, которые меняются по вертикали с глубиной, по горизонтали в зависимости от формы рельефа и во времени в зависимости от климата (Swarowsky, и друг, 2011). В этой статье основное внимание уделяется динамике почвенной влаги и вводятся концепции накопления почвенной влаги, потока воды и свойств почвы, влияющих на эти процессы. Цели исследования (обучения), обсуждаемые здесь, включают: 1) введение в уравнение водного баланса почвы; 2) факторы и свойства почвы, определяющие водный потенциал и водоудерживающую способность растений; и 3) морфологические особенности почвы и методы классификации для описания судьбы воды в почве. Эти концепции интегрированы в тематическое исследование, описывающее взаимодействие между гидрологическими процессами, динамикой воды в почве и генезисом почв

Хранение, расход и потенциальная энергия

Запас воды в почве — это динамическое свойство, которое изменяется пространственно в зависимости от климата, топографии и свойств почвы, а также во времени в результате различий между использованием и перераспределением посредством подземного стока (рис. 1; Western и др., 1999). Изменения запасов влаги в почве можно обобщить с помощью уравнения баланса массы (уравнение 1) как результат разницы между количеством добавляемой и потерянной воды (Hillel 1982). Изменение запасов почвенной влаги = входы (прибавление) - выходы (убывание)(уравнение 1) Содержание воды увеличивается (положительное изменение запасов), когда входы (прибавление), включая осадки или орошение, превышают выходы (убывание). Содержание воды уменьшается (отрицательное изменение запаса), когда выходы (убывание), такие как глубокая фильтрация, поверхностный сток, подповерхностный боковой поток и эвапотранспирация (ET), превышают входы (прибавление) (уравнение 1).

Рисунок 1

Концептуальная диаграмма профиля почвы, иллюстрирующая несколько путей потока, по которым вода движется через почву.

Накопление и перераспределение воды зависят от порового пространства почвы и распределения пор по размерам, которые определяются текстурой и структурой (Childs, 1940). В общем, богатые глиной почвы имеют самое большое поровое пространство и, следовательно, наибольшую общую водоудерживающую способность. Однако общая водоудерживающая способность не описывает, сколько воды доступно растениям или насколько свободно вода стекает в почву. Эти процессы управляются потенциальной энергией. Вода хранится и перераспределяется в почве в ответ на разницу в потенциальной энергии. Градиент потенциальной энергии диктует перераспределение и потери почвенной влаги, когда вода перемещается из областей с высокой потенциальной энергией в области с низкой (Hillel, 1982). Когда почва находится в состоянии насыщения или близко к нему, водный потенциал обычно составляет около 0 МПа. Отрицательный водный потенциал возникает по мере высыхания почвы, что приводит к всасыванию или натяжению воды, что позволяет почве удерживать воду, как губка. Три состояния влажности почвы, насыщение, полевая емкость и точка постоянного увядания используются для описания содержания воды при различных водных потенциалах в почве и связаны с энергией, необходимой для перемещения воды (или извлечения воды из почвы) (рис. 2). Когда почва находится в состоянии насыщения или близко к нему, направление градиента потенциальной энергии направлено вниз по профилю почвы или в сторону вниз по склону. Этот механизм течения под действием силы тяжести имеет место в основном в макропорах. По мере высыхания почвы полевая емкость достигается после того, как произошло свободное дренирование макропор. Емкость поля представляет собой содержание воды в почве, удерживаемой против силы тяжести силами матрицы (в микропорах и мезопорах) при растяжении -0,033 МПа (рис. 2). По мере уменьшения содержания воды матричный потенциал почвы уменьшается, становясь более отрицательным, и в результате вода сильнее удерживается на поверхности минералов за счет сил сцепления (когезии) между молекулами воды и адгезивных сил, связанных с водой и минеральными частицами (капиллярные силы). Вода, удерживаемая между насыщением и полевой емкостью, является временной, подлежит свободному дренированию в течение коротких периодов времени, поэтому обычно считается недоступной для растений. Эта свободная вода называется дренируемой пористостью. Напротив, большая часть воды, удерживаемой в полевых условиях, доступна для поглощения растениями и использования за счет эвапотранспирации (рис. 2).

Рисунок 2

Содержание воды и водный потенциал при насыщении, полевой емкости и точке постоянного увядания. Разница в содержании воды между полевой вместимостью и точкой постоянного увядания является доступной для растений водой. Дренируемая пористость — это количество воды, которая дренируется из макропор под действием силы тяжести между насыщением и полевой емкостью, что обычно соответствует трем дням дренирования в полевых условиях.

Точка, при которой матричные силы слишком сильно удерживают воду для извлечения растений (-1,5 МПа), называется точкой постоянного увядания. Количество воды, удерживаемое между полевой вместимостью и точкой постоянного увядания, считается доступной для растений водой (ДДР) (рис. 2). Вода, удерживаемая между этими двумя состояниями, удерживается против силы тяжести, но не настолько плотно, чтобы ее не могли извлечь растения. Мезопоры и микропоры поставляют большую часть доступной для растений воды. Вода, находящаяся при потенциале ниже точки постоянного увядания (< -1,5 МПа), недоступна для использования большинством растений, поскольку она сильно прилипает к минеральным частицам. Вода, находящаяся в постоянной точке увядания, связана с частично заполненными микропорами и гидратированной поверхностью почвенных частиц (рис. 2).

Влияние текстуры и структуры

Различия в свойствах почвы (текстура и структура) влияют на содержание воды при насыщении, полевой емкости и точке постоянного увядания. Текстура и структура определяют распределение пор по размерам в почве и, следовательно, количество ДДР. Рисунок 3 иллюстрирует, как величина ДДР изменяется в зависимости от текстуры почвы. Почвы грубого гранулометрического состава (пески и суглинки) имеют низкую ДДР, поскольку распределение пор по размерам состоит в основном из крупных пор с ограниченной способностью удерживать воду. Хотя мелкозернистые (текстурированные) почвы обладают наибольшей общей влагоемкостью из-за больших значений пористости, значительная часть воды удерживается слишком сильно (сильные матричные силы/низкий отрицательный водный потенциал) для поглощения растениями. Мелкозернистые (текстурированные) почвы (глины, песчаные глины и пылеватые глины) имеют умеренный ДДР, потому что распределение их пор по размерам состоит в основном из микропор. Суглинистые почвы (суглинки, песчаные суглинки, пылеватые суглинки, илы, глинистые суглинки, песчано-глинистые суглинки и пылевато-глинистые суглинки) имеют самый высокий ДДР, потому что эти текстурные классы приводят к широкому диапазону распределения пор по размерам, что приводит к идеальному сочетанию мезо- и микропористости. Структура почвы может увеличить PAW за счет увеличения пористости. Глубина почвы и содержание фрагментов горных пород также влияют на водоудерживающую способность, поскольку предполагается, что коренные породы и фрагменты горных пород не способны удерживать доступную для растений воду и/или приспосабливаться к корням растений.

Рисунок 3

Обобщенная взаимосвязь между классами механического (текстурного) состава почвы и водоудерживающей способностью растений.

Движение воды в почве тесно связано с хранением, поскольку водный потенциал зависит от содержания воды (Richards, 1931). На поток воды также влияют текстура и структура, а также другие факторы, такие как слоистость почвенных профилей. Скорость потока воды зависит от градиента потенциальной энергии и легкости, с которой вода проходит через почву, называемой насыщенной гидравлической проводимостью, которая определяется распределением пор по размерам и извилистостью путей потока (Childs и Collis-George 1950, Vogel 2008). Богатые глиной почвы имеют низкую насыщенную гидравлическую проводимость из-за очень извилистого пути потока. И наоборот, песчаные почвы имеют более крупные поры и меньшую извилистость, что способствует быстрому течению воды. Национальное кооперативное исследование почв определяет следующие классы проницаемости на основе механического (текстурного) состава почвы (Таблица 1). Эти классы могут видоизменяться (качественно) по степени структурированности почвы. Прочная структура почвы, состоящая из очень мелких и мелких агрегатов (например, зернистых, мелких и средних угловатых блочных (глыб) и почти угловатых блочных (глыб)), способствует быстрому дренированию почвы за счет увеличения макропористости. Напротив, слабая структура или структурные единицы крупного размера (призматические или глыбовые) и пластинчатая структура могут препятствовать потоку, создавая более извилистый путь потока, удерживая воду в межструктурных пустотах (рис. 4). Структура почвы имеет большое значение для управления водными ресурсами в почвах, поскольку она может быть изменена либо, в следствии ухудшения в результате неправильного управления, либо в сторону улучшения за счет добавления в почву органической материи (вещества). Напротив, обычно невозможно изменить текстуру.

Таблица 1: Классы проницаемости грунта и оценки коэффициентов проницаемости по классам текстуры.

Рисунок 4

Движение воды через различные формы структуры почвы.

Дренаж

Легкость, с которой вода стекает из почвы, так же важна, как и ее хранение. Например, большинству наземных растений необходимо ассимилировать кислород через корни, но в насыщенных почвах кислорода мало. При этом микробное разложение органической материи (вещества) максимально (на порядки) в аэробных условиях. Плохо дренированные почвы имеют ограничения для различных методов землепользования. Распознавание плохого дренажа в почвах также используется при разграничении водно-болотных угодий.

Дренажную способность можно определить путем тщательного наблюдения за свойствами почвы. Плохо дренированные почвы приводят к эпизодам длительного насыщения, в то время как чрезмерно дренированные почвы обычно испытывают дефицит воды. Почвы, которые перенасыщены в периоды, когда температура системы выше биологического нуля (> 5°C), часто проявляют окислительно-восстановительные свойства (Vepraskas & Sprecher 1997). Наиболее распространенными окислительно-восстановительными свойствами в почве являются концентрации железа и марганца и истощение запасов железа (рис. 5 и 6). Эти особенности возникают в результате микробного разложения органического вещества почвы в анаэробных условиях. Анаэробные условия возникают из-за того, что диффузия кислорода в насыщенной почве очень медленная и не поспевает за кислородными потребностями аэробного дыхания микробов. Когда кислород истощается, факультативные (несистематичные, случайные) микробы используют железо (Fe 3+) и марганец (Mn4+) в качестве конечных акцепторов электронов для производства энергии. При этом эти элементы восстанавливаются и становятся растворимыми в почвенном растворе. Поскольку вода мобилизует эти растворимые компоненты, они в конечном итоге сталкиваются с воздухом (например, в корневых каналах или других макропорах), где они окисляются и повторно осаждаются в виде концентраций железа и марганца (рис. 5 и 6). Концентрации железа обычно имеют цвет ржавчины, красный или оранжевый. Концентрации марганца окрашены в бронзово-синий цвет, почти черный (рис. 6). Истощение окислительно-восстановительного потенциала возникает на микроучастках с экстремальными восстановительными условиями, где полностью удален Fe3+. Истощение окислительно-восстановительного потенциала обычно имеет тусклый цвет (низкая насыщенность по Манселлу обычно равна 2 или меньше для таксономических целей) и имеет синий, зеленый, бледно-коричневый или желтый оттенки, отражающие окраску первичных минералов (рис. 7). Глубина, на которой проявляются окислительно-восстановительные свойства, используется для описания степени насыщения почвы в почвенном профиле (Jacobs и друг. 2002).

Рисунок 5

Концентрации окислительно-восстановительного потенциала железа в виде ржаво-оранжевых прокладок пор.

Рисунок 6

Окислительно-восстановительные концентрации синего бронзового (Gunmetal) марганца в виде поверхностных покрытий и прокладок пор. Обратите внимание на крышку объектива 35 мм в основании фотографии для масштаба. © 2013 Nature Education Все права защищены.

Рисунок 7

Пример бледно-голубовато-серого окислительно-восстановительного истощения. Обратите внимание на слабую ржаво-оранжевую концентрацию, распределенную по всей почвенной матрице.

Национальное кооперативное исследование почв описывает пять классов дренажа почвы, определяемых скоростью, с которой вода стекает из почвы, и высотой уровня грунтовых вод в течение вегетационного периода (таблица 2). Классы дренажа используются для различных решений по землепользованию, таких как пригодность почвы для накопления грунтовых вод, внесение отходов в землю, проектирование и строительство, разработка септической системы, выбор сельскохозяйственных культур, классификация плодородия земли и среда обитания водно-болотных угодий.

Таблица 2: Диагностические признаки и условия классов дренажа почвы.

Сроки уводнения (прибавления)

Количество и время выпадения осадков в конечном итоге определяют содержание влаги в почве, ее доступность и сток. Временной характер динамики влажности диктует реакцию экосистемы и решения по землепользованию. Режимы влажности почвы используются в таксономии почв для описания годовой изменчивости влажности в зависимости от климатических факторов и косвенно от почвенных и ландшафтных факторов. Различают пять общих режимов влажности почвы: водный, удический, ксерический, устический и засушливый. Эти режимы влажности имеют подробные определения (Soil Survey Staff 1999). Общие рабочие определения описаны ниже.

Водные - плохо дренированные почвы, насыщающиеся при температуре почвы (на высоте 50 см) выше биологического нуля (>5°С). Эти почвы обычно демонстрируют признаки длительного насыщения в виде окислительно-восстановительных признаков в корнеобитаемой зоне.

Удические - почвы, типичные для влажной или тропической среды, на которые выпадают осадки равномерно в течение года. Почвы никогда не бывают сухими в течение 90 дней в совокупности или 60 дней подряд после летнего солнцестояния.

Устические - условия влажности почвы, промежуточные между засушливым и удическим и типичные для полузасушливого, тропического и муссонного климата, когда почва является влажной в течение части или всего вегетационного периода, за которым следует продолжительный сухой сезон в какой-то момент года.

Ксерические - режим влажности почвы с влажной зимой и сухим летом, характерный для климата средиземноморского типа.

Аридные - режим влажности почвы, который является сухим (низкая доступная для растений вода) в течение большей части года.

На рис. 8 показаны эти режимы влажности почвы по всему миру. Режимы влажности почвы служат широкомасштабным инструментом планирования для принятия различных решений по землепользованию, связанных с гидрологическим циклом, таких как регионы, подходящие для насыпи грунтовых вод, земледелия в засушливых районах, летнего пара или требующие ирригационных технологий, инженерных соображений и дренажной инфраструктуры.

Эти решения нельзя принимать исходя только из климатических условий. Режимы влажности почвы более полезны в этом типе принятия решений, поскольку они учитывают, как свойства почвы (такие как ДДР) влияют на динамику влажности в профиле почвы.

Рисунок 8

Глобальная карта режимов влажности почвы.

© 2013 Nature Education Разработано Министерством сельского хозяйства США- Служба охраны природных ресурсов, Отдел исследования почв, Мировые почвенные ресурсы, Вашингтон, округ Колумбия. Все права защищены.

Интегративное тематическое исследование

Тип режима влажности почвы можно использовать для определения направления движения воды в почве, которое влияет на развитие и морфологию почвы. Следующий пример иллюстрирует этот момент. На рис. 9 показаны две почвы Mollisols (Xerolls и Ustolls) со среднегодовой суммой осадков 450 мм, различающиеся сроками выпадения осадков (т. е. режимом увлажнения почвы). Mollisols обычно описывают как пастбищные почвы с большими запасами подземной органической материи (вещества) почвы. Ustoll представляет собой Mollisol с устиковым режимом влажности почвы, сформировавшийся в зарослях дерновинных прерий к востоку от Скалистых гор (рис. 9а). Xeroll представляет собой Mollisol с ксерическим режимом влажности почвы, который сформировался в прерии с пучками злаков на плато Колумбия в восточной части штата Вашингтон (рис. 9b). Эти почвы имеют сходство в факторах почвообразования, включая исходный (материнский) материал, растительность, возраст и топографию. Заметным отличием этих двух профилей является характер горизонтов В (подповерхностные зоны накопления глины, солей или железа). Ustoll имеет горизонт Bk, который представляет собой зону накопления карбоната кальция (CaCO3) (рис. 9а). Эта полурастворимая соль имеет тенденцию накапливаться в недрах, где глубокая фильтрация минимальна (Jenny 1994). Xeroll имеет горизонт Bw, подпочву, где соли были удалены путем глубокой фильтрации, и можно обнаружить развитие структуры почвы и небольшое накопление глины.

Рисунок 9

Примеры Mollisols (луговые почвы), образованные лёссом. Обе почвы имеют среднегодовое количество осадков 450 мм. Ustoll (а) имеет устический режим влажности почвы, а Xeroll (б) - ксерический режим влажности почвы. Обратите внимание на присутствие нитей и масс карбоната кальция по всему горизонту Bk Ustoll толщи (а).

Потенциальная эвапотранспирация и осадки с течением времени в этих почвах иллюстрируют влияние времени выпадения осадков на динамику влажности почвы (рис. 10). В Xeroll в течение вегетационного периода выпадает мало осадков, что способствует периоду использования накопленной воды в начале вегетационного периода, за которым следует длительный дефицит (рис. 10а). Почвенная влага пополняется с началом осенних дождей, когда начинается период покоя. Поскольку осадки продолжаются в течение зимних месяцев, достигается избыток. Избыток возникает, когда почва становится насыщенной и вода может свободно стекать под действием силы тяжести (гравитации). Избыток почвенной влаги приводит к потере свободной воды, хранящейся между насыщением и полевой емкостью, которая подвержена гравитационному потоку. В этом сценарии есть два основных пути течения: 1) глубокое просачивание свободной воды за пределы корневой зоны и 2) потери накопленной воды из-за ЕТ в течение вегетационного периода. Большая доля избыточной воды в зимние месяцы, когда растения находятся в состоянии покоя, способствует вымыванию растворимых и полурастворимых солей из почвенного профиля в грунтовые воды.

Рисунок 10

Климатическая информация и водный баланс почвы для Ustoll (а) и Xeroll (б). Обратите внимание, что Ustoll никогда не достигает избыточного состояния, свободного дренирования насыщенных макропор.

В Ustoll большая часть осадков выпадает в течение вегетационного периода и утилизируется за счет транспирации до тех пор, пока не возникнет дефицит почвенной влаги (рис. 10b). По мере уменьшения эвапотранспирации в период покоя происходит подпитка почвы, но количество осадков в это время недостаточно велико, чтобы создать излишек. В результате почвенная влага сохраняется в течение периода покоя (зимние месяцы), а основной путь потока идет вверх по капиллярному подъему, поскольку весной растения активизируются, извлекая воду за счет эвапотранспирации. Отсутствие избытка приводит к неполному выщелачиванию почвенного профиля и накоплению полурастворимых солей (белых налетов), что символизирует горизонт Bk (рис. 9а). Это сравнение устического и ксерического режимов влажности почвы дает пример того, как динамика влажности почвы и время выпадения осадков влияют на использование воды и движение в почве. Время выпадения осадков так же важно, как и их количество, при рассмотрении динамики почвенной влаги. Это тематическое исследование демонстрирует, что судьба воды в почве (например, глубокое просачивание или эвапотранспирация) определяет выражение морфологических особенностей почвы. Таким образом, характеристики почвы можно использовать для вывода о гидрологических процессах.

Заключение

Динамика запасов воды и сток способствуют четырем основным процессам почвообразования: перемещениям, преобразованиям, добавлениям и потерям почвенных компонентов в почвенном профиле. Эти процессы определяют химические, морфологические и физические свойства почвы, такие как изменение гранулометрического состава с глубиной. Гидрологические процессы, действующие в почве, способствуют процессам выветривания, и индикаторы этих процессов сохраняются почвенным профилем в виде наблюдаемых и измеряемых характеристик почвы, подобных тем, которые обсуждались в тематическом исследовании (O'Geen и др., 2002). Другими морфологическими индикаторами гидрологического процесса в почве являются окислительно-восстановительные свойства, резкое накопление глины в недрах, развитие структуры почвы и наличие закрепленных (сцементированных) слоев (Fritsch и Fitzpatrick, 1994). Таким образом, инвентаризация почвенных ресурсов (например, обследование почвы), которая документирует свойства почвы, может использоваться для вывода о гидрологических процессах. Хотя климатические факторы в конечном итоге контролируют отношения между растениями и водой, почвы регулируют воду, действуя как губка, удерживая воду от сил гравитации в доступной для растений форме. Свойства почвы, такие как текстура и структура, определяют распределение пор по размерам, что определяет общий запас воды, доступную водоудерживающую способность и движение воды в почве. Хотя, как правило, невозможно изменить текстуру почвы для улучшения отношений между растениями и водой, структуру почвы можно улучшить, добавив органические вещества, чтобы повысить мезо- и макропористость, что увеличивает доступную растениям водоудерживающую способность и способствует свободному дренажу. Понимание взаимоотношений между почвой и водой имеет основополагающее значение для принятия большинства решений по землепользованию.

Словарь

Горизонт B: Подпочвенные горизонты почвы, представляющие собой зоны накопления компонентов почвы (таких как глина, железо или соли).

Горизонт Bk: горизонты B, в которых наблюдается накопление почвообразующего карбоната кальция.

Горизонт Bw: горизонты B, которые отображают начальные стадии почвообразования, такие как развитие структуры почвы, окисление.

Капиллярные силы: вода удерживается небольшими порами из-за когезионного притяжения между молекулами воды и адгезивных сил между молекулами воды и твердыми телами.

Эвапотранспирация: совокупная потеря воды в результате испарения с поверхности почвы и транспирации растениями (SSSA, 1997).

Полевая емкость: Содержание влаги в почве после трех дней дренажа насыщенной почвы. Количественно описывается как содержание воды в почве после того, как насыщенная почва подвергается воздействию давления всасывания (например, сушки путем удаления воды) -0,33 МПа.

Макропоры: поры размером от >5000 до 75 µm (SSSA, 1997).

Микропора: поры размером от 30 до 75 µm (SSSA, 1997).

Мезопоры: поры размером от 5 до 30 µm (SSSA, 1997).

Mollisols: обычно считаются пастбищными почвами, имеющими поверхностный слой (толщиной примерно 18 см), рыхлый, темный по цвету и с высоким содержанием органического углерода в почве.

Насыщенность по Манселлу: система, используемая для описания цвета почвы в соответствии с оттенком (спектральный цвет), значением (степень светлоты или темноты) и насыщенностью. Цветность относится к интенсивности цвета.

Просачивание: нисходящее движение воды через почву (SSSA, 1997).

Точка постоянного увядания: Содержание воды, при котором почва высыхает до такой степени, что растения начинают увядать. Количественно описывается как содержание воды в почве после того, как насыщенная почва подвергается воздействию давления всасывания (например, сушки путем удаления воды) -1,5 МПа.

Доступная для растений вода: равна содержанию воды при полевой вместимости минус содержание воды в точке постоянного увядания.

Редоксиморфные признаки (окислительно-восстановительные свойства): свойства почвы, связанные с длительной или сезонной влажностью, возникающие в результате восстановления и окисления железа и марганца.

Насыщение: Влагосодержание почвы, при котором все поровое пространство заполнено водой, соответствующее водному потенциалу 0 МПа. Насыщенная гидравлическая проводимость: Легкость, с которой вода проходит через почву в насыщенном состоянии. Водный поток воды на единицу градиента гидравлического потенциала (SSSA, 1997).

Органическая материя (вещество) почвы: Органическое материя (вещество) почвы состоит из живых микроорганизмов, слабо и/или частично разложившихся остатков и сильно разложившихся материалов (гумуса).

Структура: Агрегация частиц песка, ила и глины в агрегаты, которые характеризуются формой, размером и степенью агрегативной устойчивости (SSSA, 1997).

Текстура: относительная пропорция песка, ила и глины.

Ustoll: Mollisols с устиковым режимом влажности почвы.

Водный потенциал: количество работы, которое необходимо совершить на единицу количества чистой воды для транспортировки воды на определенное расстояние.

Xeroll: Mollisols с ксерическим режимом влажности почвы.

С разрешения nature.com

türkmençe okaň