Почвенная влага. Испарение
Лекция 4. Почвенная влага. Испарение
Почвенная влага.
Вода необходима для растений и получают они ее в основном из почвы. Поэтому агрометеорология изучает влажность почвы, закономерности ее формирования и изменения во времени и пространстве в различных зонах.
Вода связывается почвой с разной степенью прочности, поэтому запасы влаги в разных почвах могут различаться при одинаковой их влажности. При снижении количества воды в почве до определенного предела, растение начинает завядать. Влажность почвы, при которой тургор растений не восстанавливается, называется влажностью устойчивого завядания. Эта величина практически не зависит от особенностей растений и определяется свойствами почв. Чем мельче частицы почвы, чем больше капиллярных пор и органического вещества, тем больше в почве прочносвязанной воды, недоступной для растений и выше значения влажности завядания. Например, устойчивое завядание наступает при влажности: песка - до 1,5%, суглинка - до 12%, глины - до 20%, торфа - до 50%.
Используемая растениями влага называется продуктивной (Wпрод) – это количество воды, содержащееся в почве сверх влажности устойчивого завядания (Wзавяд) Запасы продуктивной влаги выражаются высотой слоя воды в миллиметрах. Для расчета запасов ее используют формулу:
Wпрод. = 0,1dH (Wфакт - Wзавяд),
где: 0,1 - коэффициент для перевода количества воды в мм слоя; d - объемная масса почвы, г/см3; Н - толщина слоя почвы, для которого производится расчет, см, Wфакт – влажность почвы во время определения, % от массы почвы; Wзавяд - влажность устойчивого завядания, %.
В агрометеорологии запасы воды на полях дают в мм слоя продуктивной влаги и определяют на постах для каждых 10 см профиля почв до глубины 1 м. Кроме влажности завядания определяют различную влагоемкость почв: полную, капиллярную и наименьшую.
Полная влагоемкость определяется при заполнении водой всех пор в почве.
Рекомендуемые материалы
Капиллярная - при заполнении только пор-капилляров, размером менее 1 мм, при подъеме грунтовых вод от уровня их залегания.
Наименьшая влагоемкость - это такое количество воды, которое может удержать почва, исключая гравитационную воду (ранее называлась как предельная полевая влагоемкость). До этого состояния увлажняется почва при орошении.
Основные методы определения влажности почв термостатно-весовой и различные дистанционные. Весовой наиболее точный, но и трудоемкий. Заключается он в следующем: отбирают образцы почв через каждые 10 см до нужной глубины почвенным буром, образец помещают в алюминиевые стаканы с крышками и взвешивают с точностью до 0,1 г, высушивают в стаканах в термостате при 105оС до постоянного веса (до 8 часов), рассчитывают влажность в % по разности веса:
W = [(Р1 - Р2) : Р2] ´100%,
где: Р1 -вес до высушивания, г; Р2 -вес после высушивания, г. Дистанционные методы измерения влажности почв менее точные, используются на оросительных системах для автоматического включения их для полива.
Водный баланс поля.
Количество воды, получаемое растениями, определяется многими факторами, которые обусловливают ее расход, приход и перераспределение. Динамика запасов влаги в почве является элементом водного баланса суши в годовом кругообороте. Упрощенно - это разность между приходом и расходом воды на конкретной территории. Основным элементом прихода ( Wприх.), при отсутствии орошения или осушения, являются: осадки ( А ), приток в почву от грун-товых вод ( Мг ), приток поверхностных вод ( Мп ), внутри-почвенный приток ( Мвп ), конденсация водяного пара в почве из воздуха атмосферы ( Мк ). Расходуется вода (Wрасх.) на: испарение растениями (транспирацию) и - с поверхности почвы, которые часто учитываются как суммарное водопотребление ( Е ), отток за пределы корнеобитаемого слоя ( Ф ), поверхностный сток ( С ), внутрипочвенный сток ( Сп ). Эти элементы составляют водный баланс, который можно представить в виде уравнения:
Wнач. - Wкон. = Wприх. - Wрасх. =
= (А+ Мг + Мп + Мвп + Мк) - (Е + Ф + С + Сп),
где: Wнач. - начальный запас влаги; Wкон. - запас в конце периода наблюдений.
Чаще всего для упрощения расчетов используют основные элементы, преобладающие по величинам:
Wприх. – Wрасх. = (А + Мг + Мвп) – Е.
Испарение.
Водяной пар постоянно поступает в атмосферу в результате испарения с поверхностей воды, почвы и растений. Испарение воды растениями называется транспирацией, а испарение с почвы и растений - суммарным испарением.
При испарении отдельные молекулы воды отрываются от водного зеркала или влажной почвы и переходят в воздух как молекулы водяного пара. В воздухе они распространяются во все стороны от источника испарения вследствие собственного движения молекул, осуществляя молекулярную диффузию, а также вместе с общим переносом воздуха. В горизонтальном направлении воздух переносится ветром, в вертикальном - турбулентными вихрями, возникающими из-за разности температур воздуха.
Одновременно с испарением происходит обратный процесс перехода молекул водяного пара из воздуха в воду или в почву. Испарение прекращается при достижении подвижного равновесия, при котором количество отрывающихся молекул становится равным возвращающемуся из воздуха. Такое состояние называется насыщением, а воздух, содержащий такое количество водяного пара, - насыщенным. Чем выше температура воздуха, тем больше он может содержать водяного пара. На каждые 10оС повышения температуры воздуха, содержание пара в состоянии насыщения удваивается. Например, при t = 30о воздух может содержать водяного пара в 7 раз больше, чем при t = 0о.
Капли жидкой воды в облаках и туманах часто находятся в переохлажденном состоянии (до –10о), поэтому в атмосфере вода и лед могут находиться одновременно (в смешанных облаках).
Испарение зависит главным образом от температуры испаряющей поверхности, влажности воздуха, скорости ветра и атмосферного давления. Годовая сумма испарения с поверхности Мирового океана 450 тыс.м3, суши - 70 тыс.м3.
Количественно испарение характеризуется скоростью: это масса воды, которая испаряется в единицу времени с единицы площади. Скорость испарения с водной поверхности увеличивается с увеличением ее температуры, дефицита водяного пара над ней и скорости ветра. Меньше влияет атмосферное давление, прозрачность воды (обратно пропорционально), прямая солнечная радиация (прямо пропорционально). Скорость испарения с поверхности почвы прежде всего зависит от температуры почвы, влажности воздуха, скорости ветра, количества воды в почве, физических свойств почвы, состояния поверхности, растительности. Наибольшее испарение при прочих равных условиях будет с поверхности темных (сильнее нагреваемых, чем светлые) влажных почв с плохой структурой, лишенных растительности при низкой влажности воздуха и сильном ветре.
Скорость испарения воды растениями (транспирация) определяется теми же факторами, что и с поверхности почв, но она меньше. Растения, благодаря собственным регулирующим системам, могут экономить воду, уменьшая транспирацию. Однако в целом общий расход воды может составлять более 800 кг на образование 1 кг зеленой массы.
Испарение воды с поверхности почвы и растений, называемое суммарным испарением, обусловлено мощностью растительного покрова, биологическими особенностями растений, глубиной корневой системы и др.
Вам также может быть полезна лекция "14. Рецензия".
Рассматривая количество воды, которое испаряется в конкретном месте, различают фактическое испарение и возможное или испаряемость. Фактическое испарение может быть значительно меньше возможного по метеорологическим условиям (например, в пустыне испаряется очень мало влаги из-за ее отсутствия). Чтобы иметь представление о предельно возможном испарении в конкретных условиях, определяют испаряемость. Особенно это важно, например, для расчета оросительных мероприятий. Испаряемость это максимально возможное испарение, не ограниченное запасами влаги. Эта величина может быть достигнута в естественных условиях при испарении с поверхности водоема или избыточно увлажненной почвы.
Измеряют испарение испарителями или рассчитывают по уравнениям теплового или водного баланса. В качестве испарителей используют бассейны площадью 20 и 100 м2, 3000 см2, для почв - 500 см2. Почвенный испаритель состоит из двух металлических цилиндров, внешний установлен до глубины 53 см, внутренний, с почвенным монолитом с ненарушенной структурой и растительностью, - до 50 см. Дно внутреннего цилиндра имеет отверстия для слива избытка влаги. Каждые 5 суток внутренний цилиндр с почвой вынимают и взвешивают. Испарение (Е, мм) рассчитывают по формуле:
Е = 0,02 ´ (q1 - q2) - W +A,
где: 0,02 - коэффициент для перевода граммов в мм слоя воды; q1 - вес испарителя предыдущий, г; q2 - вес испарителя в настоящий момент, г; W - количество воды под цилиндром, мм; А - количество выпавших осадков, мм (за период между определениями).
Наибольшие колебания испарения в течение суток наблюдаются летом с максимумом в 14 часов и минимумом - перед восходом Солнца. В полярных областях, при низких температурах, испаряемость составляет менее 100 мм в год, в Центральной Европе - около 400 мм, в Москве - 420 мм. В Средней Азии, на фоне высоких летних температур и боль-шого дефицита влажности, испаряемость доходит до 1800 мм в год, а в Сахаре, в 500 км от атлантического побережья, - 3000 мм.
Одна из важных задач агротехники – сокращение непроизводительного испарения воды из почв. Для этого применяют различные приемы, которые позволяют нарушить почвенную капиллярность, через которую идет испарение: раннюю вспашку и боронование (закрытие влаги), рыхление междурядий пропашных культур. Применение ранней вспашки предотвращает также поверхностный сток в 2 - 5 раз (чем южнее, тем больше). Эффективна осенняя безотвальная вспашка, после которой растительные остатки на поверхности действуют как мульчирующий слой. Лесные полосы защищают поля, снижая скорость ветра, что увеличивает влажность воздуха и снижает испарение.
