6.3. Водний режим ґрунтів
Водний режим ґрунту – це сукупність явищ надходження вологи в ґрунт, її переміщення, утримання в ґрунтовому профілі та витрати з ґрунту які відбуваються протягом певного часу.
Основними джерелами вологи у ґрунті є опади, ґрунтові води (при близькому заляганні від поверхні), певна кількість вологи накопичується при конденсації парів з ґрунтового повітря, за певних умов запаси вологи можуть поповнюватись за рахунок поверхневого та внутріґрунтового притоку вологи.
Головними джерелами втрат є фізичне випаровування вологи з поверхні ґрунту та транспірація рослинами. Певна кількість води може втрачатись з ґрунту в результаті інфільтрації та поверхневого чи ґрунтового стоку.
Кількісне співвідношення приходу та втрат вологи у ґрунті виражається у вигляді водного балансу, який відображає співвід-ношення даних показників для певного шару ґрунту за визначений проміжок часу.
Загальний вид водного балансу можна виразити у вигляді наступного рівняння:
Вп + О + Вгр + Вк.п. + Впр + Вб = Еф + Етр + Ві + Вп.с. + Вгр.с. + Вк
де: Вп - запас вологи на початок спостереження; О – сума опадів за період спостережень; Вгр – кількість вологи, що надійшла з ґрунтових вод; Вк.п. - кількість вологи, що конденсувалась з повітря; Впр - кількість вологи, що надійшла за рахунок поверхневого бокового притоку; Вб - кількість вологи, що надійшла за рахунок бокового притоку ґрунтових вод; Еф - кількість втраченої вологи за рахунок фізичного випаровування з поверхні ґрунту; Етр - кількість втраченої вологи за рахунок транспірації рослинами; Ві - кількість втраченої вологи за рахунок інфільтрації вниз; Вп.с. - кількість втраченої вологи за рахунок поверхневого стоку; Вгр.с - кількість втраченої вологи за рахунок бокового ґрунтового відтоку; Вк - запас вологи на кінець спостереження.
Ліва половина рівняння характеризує статті, що відображають надходження вологи, права – статті втрат вологи з ґрунту.
В більшості ґрунтів не спостерігається наростання зволоження або висушування. При цьому обидві частини водного балансу рівні і величина втрат та величина надходження вологи у ґрунті рівні. Але протягом року в різні сезони може спостерігатись чергування періодів зволоження та зволоження ґрунтів, що пов’язано із кліматичними умовами.
В умовах помірного клімату України в осінньо-зимовий період спостерігається зволоження ґрунтів та накопичення вологозапасів, а у весняно-літній період – прогресуюче їх висушування. Такі закономірні зміни періодів зниження та наростання вологозапасів у ґрунтах повторюються щорічно.
Вологозапаси ґрунту та їх оцінка. Водний баланс розраховується для певного горизонту ґрунту або для ґрунтового профілю в цілому. Для оцінки вмісту вологи у ґрунті на даний момент та дослідження його динаміки в часі з метою розрахунку водного балансу розрахунок здійснюють за формулою:
В = W·D·H
де: В – запас вологи для шару ґрунту Н (м3/га); W – вологість ґрунту, %; Н – шар ґрунту , см, D – щільність ґрунту, г/см3.
Запаси вологи у ґрунті виражають у м3 на 1 гектар або у мм. Для перерахунку показника із м3/га в мм показник перемножують на коефіцієнт 0,1.
Доступна для рослин вода, що засвоюється ними з ґрунту – це та її частина, яка може бути використана (поглинена) рослинами в процесі життєдіяльності до початку їх в’янення. Нижня межа вмісту у ґрунті доступної для рослин води – її вміст, близький до максимальної гігроскопічності (найбільшої кількості пароподібної вологи, поглиненої ґрунтом з повітря). Межа доступної для рослин води знаходиться в межах, коли вода утримується твердою фазою ґрунту силою 0,3-15 атм, що відповідає pF від 1,0 до 4,2.
Кількість доступної для рослин води залежить від: гранулометричного складу ґрунту, наявності органічної речовини, кількості та властивостей колоїдів, структури тощо.
Недоступна для рослин вода (незасвоювана) – це частина води, що міститься в ґрунті, яка не може бути засвоєна рослинами, в тому числі і при їх в’яненні, оскільки зв’язана з твердою фазою ґрунту (утримується нею) силами, більшими, ніж поглинальна сила коріння рослин (> 15 атм, або > 4,2 pF).
Недоступну вологу, „мертвий” запас, який виражають в кубічних метрах, розраховують за формулою:
МЗВ = 1,5 МГ х H х D.
де: МЗВ – „мертвий” запас води, м3/га, H – потужність розрахункового шару, D – щільність ґрунту, т/м3, МГ – максимальна гігроскопічність.
Продуктивні запаси вологи у ґрунті визначають як різницю між загальними вологозапасами та мертвим запасом вологи:
ПВЗ = ЗВЗ - МЗВ
де: ПВЗ –продуктивні запаси вологи; ЗВЗ – загальні запаси вологи; МЗВ – мертвий запас вологи.
Існує залежність між вмістом у ґрунті води, що утримується силами до 5 атм, приростом листової поверхні рослин і транспірацією. Вода, яка утримується твердою фазою ґрунту силою понад 5 атм, ще засвоюється рослиною і випаровується через листя, але при цьому не відбувається приріст листової поверхні. Тому вміст води в ґрунті, при поглинанні якої рослини не тільки підтримують свою життєдіяльність, але й синтезують органічну речовину, вважають продуктивною вологою. Нижня її межа відповідає вологості стійкого в’янення рослин.
Вміст води у ґрунті, при якому вона не може бути використана рослинами для підтримання фізіологічних процесів, на синтез органічної речовини, називається непродуктивною вологою. Верхня її межа – вологість стійкого в’янення рослин.
Типи водного режиму ґрунтів. Водний режим грунтів формується під впливом ряду факторів, визначальними з яких є клімат, рельєф, водні властивості грунтів, гідрологічні умови тощо. Сукупність цих факторів та їх вплив на особливості формування водного режиму Г. М. Висоцький виразив через співвідношення суми опадів до величини випаровування протягом року, назвавши його коефіцієнтом зволоження:
де: К – коефіцієнт зволоження; О – сума опадів за рік, мм, Е випаровування за рік, мм.
В залежності від кліматичних умов коефіцієнт зволоження може коливатись від 0,1 до 3 і більше. Г. М. Висоцький виділив чотири типи водного режиму: промивний – К > 1; періодично промивний К > 1; непромивний К = 1; випітний К < 1.
О. А. Роде, розвиваючи вчення Г. М. Висоцького, до величини інфільтрації і кількості води, що випаровується з ґрунту додав джерело зволоження і ступінь зволоженості ґрунту. За співвідно-шенням цих чотирьох характеристик він запропонував виділяти шість типів водного режиму ґрунтів: мерзлотний (кріогенний), про-мивний, випітний, десуктивно-випітний, періодично промивний і непромивний. Характер водного балансу для різних типів водного режиму наведений на рисунку 6.2.
Рис. 6.2. Водний баланс при промивному (а), непромивному (б) та випітному (в) типах водного режиму ґрунтів (за О. А. Роде, 1965). де: 1,3 - випаровування з поверхні відповідно рослин і ґрунту, 2 - поверхневий стік; 4 - ґрунтовий стік; 5 – десукція.
Мерзлотний тип водного режиму характерний для територій із поширенням вічної мерзлоти. Вічна мерзлота служить водоупором та обумовлює перезволоження верхнього активного шару ґрунту, який щорічно розмерзається. Такі ґрунти переважно оглеєні.
Промивний тип водного режиму характерний для територій де сума опадів переважає над величиною випаровування. Це обумов-лює панування низхідних потоків води. У річному циклі спостеріга-ється наскрізне промочування ґрунтів до ґрунтових вод. При інтенсивному промочуванні ґрунтів може спостерігатись вимивання з ґрунтового профілю продуктів ґрунтоутворення та вивітрювання.
Промивний тип водного режиму характерний для ґрунтів тайгово-лісової зони, вологих субтропічних та тропічних лісів. Щорічно весною або у вологий сезон ґрунти зволожуються до рівня НВ-ПВ. При наявності на невеликій глибині водоупору проявля-ється постійне або сезонне перезволоження ґрунтів із застійним водним режимом (болотні ґрунти).
Періодично промивний тип водного режиму ґрунту характери-зується чергуванням обмеженого і наскрізного промивання ґрунтової товщі. Він характерний для територій де сума опадів та величина випаровування приблизно рівні (К > 1). Чергування вологих та сухих років обумовлює періодичне наскрізне промочування ґрунту та насичення вологою до рівня НВ, яке може відбуватись один раз в 10 років і рідше. Даний тип водного режиму характерний для ґрунтів зони лісостепу.
Непромивний або замкнутий, тип водного режиму спостері-гається тоді, коли волога опадів розподіляється тільки у верхніх горизонтах і не досягає ґрунтових вод. Ґрунтова волога знаходиться в підвішеному стані, і капілярна кайма ґрунтових вод не досягає ґрунтової товщі, що зволожується опадами. Непромивний тип водного режиму характерний для територій, де сума опадів менша за величину випаровування, це зона степу, напівпустель та пустель із глибоким заляганням ґрунтових вод. Глибина промочування може коливатись від 4 м (для чорноземів Степу) до 1 м для бурих та сіро-бурих грунтів. Нижче зони промочування і до зони капілярної кайми може існувати сухий шар ґрунту із вологістю близькою до вологості в’янення („мертвий” горизонт за Г. М. Висоцьким).
Випітний (ексудативний) тип водного режиму спостерігається тоді, коли в товщі ґрунту переважають висхідні потоки води. Випітний тип водного режиму характерний для ґрунтів з близьким заляганням ґрунтових вод, де випаровування перевищує величину опадів, а дефіцит води в ґрунті компенсується надходженням її із ґрунтових вод. В цих умовах ґрунтові води по капілярах з’єднуються з кореневим шаром і навіть поверхнею ґрунту. Вода в ґрунтовому профілі знаходиться в капілярно-підпертому стані.