Почвенная вода

1.1. Химически связанная вода

Это вода, которая входит в состав кристаллической решётки минералов или химических соединений. Она неподвижна, не растворяет вещества и абсолютно недоступна для растений. К этой категории относятся:

• Конституционная (гидратная) вода — гидроксильные группы (ОН⁻), входящие в состав гидроксидов железа, алюминия, глинистых минералов, органических соединений.
• Кристаллизационная вода — целые молекулы H₂O, входящие в кристаллы некоторых минералов, например гипса (CaSO₄·2H₂O) или мирабилита (Na₂SO₄·10H₂O).

При потере химически связанной воды (дегидратации) происходят необратимые изменения минералов. Эта вода растениями не используется, но может иметь значение при оценке общего содержания воды в почве при термическом анализе (Муха и др., 2003).

1.2. Твёрдая вода (лёд)

В холодный период года часть почвенной влаги замерзает, образуя лёд в порах. Твёрдая вода недоступна растениям, однако она выполняет важную роль в водном режиме почв (Муха и др., 2003):

• При промерзании почвы создаётся вакуум в нижележащих слоях, что способствует подтягиванию влаги из глубоких горизонтов.
• Весной при оттаивании происходит обратное движение воды и растворённых веществ.
• Лёд служит потенциальным источником жидкой и парообразной воды при наступлении тепла.

В районах с многолетней мерзлотой лёд может сохраняться в почве круглый год, определяя специфику водного режима и почвообразования (Муха и др., 2003).

1.3. Парообразная вода

Вода в виде пара постоянно присутствует в почвенном воздухе, часто достигая 100%-ного насыщения. Парообразная вода:

• малодоступна для растений в качестве прямого источника влаги;
• способна передвигаться в порах в ответ на градиенты давления пара (от мест с большей упругостью к местам с меньшей);
• конденсируясь, может переходить в жидкое состояние, особенно в ночное время или при охлаждении почвы (Муха и др., 2003).

Хотя количество парообразной воды в почве невелико (эквивалент нескольких литров на гектар в верхнем слое), её движение может иметь значение для семян некоторых растений, способных поглощать влагу непосредственно из пара (Weil, 2017).

1.4. Физически связанная (сорбированная) вода

Это вода, которая удерживается на поверхности твёрдых частиц почвы сорбционными силами. Именно она составляет ту часть почвенной влаги, которая удерживается против силы тяжести. В зависимости от прочности связи различают две формы.

1.5. Свободная вода

Это вода, которая не связана сорбционными силами с твёрдой фазой и передвигается под действием капиллярных или гравитационных сил. Именно эта вода в первую очередь доступна растениям.

1.6. Сводная таблица форм воды

Для наглядности сведём характеристики разных форм воды в таблицу (Муха и др., 2003; Weil, 2017).

Примечания:

• НВ — наименьшая влагоёмкость (полевая влагоёмкость);
• ВРК — влажность разрыва капилляров (влажность, при которой капиллярная связь теряется);
• ВЗ — влажность завядания (постоянное увядание растений);
• МАВ — максимальная адсорбционная влагоёмкость;
• pF — логарифм величины водоудерживающих сил, выраженный в см водяного столба.

Краткий итог по формам воды

Мы видим, что вода в почве представлена целым спектром форм — от прочносвязанной, абсолютно неподвижной, до свободной, легко передвигающейся. Доступность воды растениям определяется не столько её общим количеством, сколько тем, в какой форме она находится. Переход от одной формы к другой происходит непрерывно, по мере увеличения или уменьшения влажности почвы.

Ключевой вывод: в одном и том же образце почвы одновременно присутствуют все формы воды, различающиеся по прочности удержания и подвижности. Это принципиальное отличие от воды в стакане, где все молекулы находятся в одинаковом свободном состоянии.

В следующем разделе мы разберём, какие именно силы удерживают воду в этих разных формах, и почему одни формы легко доступны растениям, а другие — нет.

2.1. Межмолекулярные силы: когезия и адгезия

Все свойства воды, включая её поведение в почве, определяются строением молекулы H₂O. Молекула воды имеет угловую форму (угол между связями ≈105°) и является диполем: сторона с атомами водорода несёт положительный заряд, а сторона с атомом кислорода — отрицательный (Weil, 2017). Благодаря этому между молекулами воды возникают водородные связи — относительно слабые, но многочисленные взаимодействия, которые обеспечивают две фундаментальные силы.

2.2. Капиллярные силы

Если адгезия и когезия действуют на молекулярном уровне, то капиллярные силы проявляются на уровне пор и возникают как совместный результат этих двух сил на границе раздела трёх фаз: твёрдой (частицы), жидкой (вода) и газообразной (воздух) (Weil, 2017; White, 2006; Shukla, 2023).

2.3. Осмотические силы

Вода в почве никогда не бывает химически чистой — она содержит растворённые соли, органические кислоты, питательные элементы. Эти растворённые вещества (ионы и молекулы) притягивают к себе молекулы воды, образуя гидратные оболочки (Weil, 2017; White, 2006). В результате:

• часть молекул воды становится связанной вокруг ионов — это явление называется гидратацией;
• энергетическое состояние такой воды понижается по сравнению с чистой водой;
• возникает осмотическое давление — сила, с которой вода стремится разбавить раствор, проникая через полупроницаемые мембраны.

В почве осмотические силы не играют прямой роли в удержании воды в порах, поскольку почва не является единой полупроницаемой мембраной. Однако они имеют критическое значение для поглощения воды корнями: корневые клетки отделены от почвенного раствора полупроницаемыми мембранами, и если концентрация солей в почве выше, чем в клетках, вода будет выходить из корней, а не входить в них. Это явление — физиологическая засуха — может наблюдаться даже при достаточно высокой влажности почвы (Weil, 2017; Eash et al., 2016).

В чисто физическом плане осмотические силы снижают упругость водяного пара над почвой, что может влиять на испарение и конденсацию влаги (White, 2006). Однако их основной вклад — в снижение общего потенциала воды, о чём мы поговорим в следующем разделе.

2.4. Гравитационная сила

В отличие от всех перечисленных выше сил, гравитация — это внешняя сила, действующая на воду в почве так же, как и на любой другой объект на Земле. Она направлена вертикально вниз и стремится переместить воду вглубь профиля (Weil, 2017; Shukla, 2023).

Гравитационная сила:

• удаляет избыток воды из крупных пор (гравитационная вода);
• обеспечивает нисходящий ток влаги и пополнение грунтовых вод;
• является движущей силой перколяции — вертикального движения воды через насыщенный слой.

Однако в отличие от сорбционных и капиллярных сил, гравитация действует на всю воду одинаково, независимо от её положения. Поэтому, если бы не было сорбционных и капиллярных сил, вся вода из почвы очень быстро ушла бы вниз. Именно равновесие между гравитационной силой, стремящейся опустить воду, и сорбционно-капиллярными силами, стремящимися её удержать, определяет полевую влагоёмкость — состояние, при котором гравитационный сток практически прекращается (Weil, 2017; Муха и др., 2003).

2.5. Взаимодействие сил: от общего к частному

Теперь мы можем ответить на ключевой вопрос: почему вода в почве не ведёт себя как вода в стакане?

В стакане на воду действует только гравитация (и в очень малой степени — поверхностное натяжение на открытой поверхности). Вода в стакане находится в свободном состоянии, её молекулы не испытывают притяжения со стороны стенок (если не считать тривиального смачивания стекла). Поэтому она легко перемещается и всегда стремится занять самый низкий уровень.

В почве одновременно действуют:

1. Адгезия — притягивает воду к поверхностям частиц, особенно сильно в тонких плёнках.

2. Когезия — связывает молекулы воды друг с другом, создавая непрерывные плёнки и мениски.

3. Капиллярные силы — удерживают воду в порах малого диаметра, создавая отрицательное давление.

4. Осмотические силы — снижают энергетическое состояние воды в присутствии солей.

5. Гравитация — тянет воду вниз, но её действие ослабляется или полностью компенсируется первыми четырьмя силами.

В результате:

• Одни и те же молекулы воды в разных точках почвы испытывают разное суммарное воздействие сил.
• Вода не имеет свободной поверхности в крупных порах, пока они не заполнены полностью.
• Вода может подниматься вверх (капиллярный подъём) и оставаться неподвижной в наклонных образцах, поскольку капиллярные силы действуют во всех направлениях.
• Часть воды оказывается «запертой» в тонких порах и плёнках и недоступна для корней, даже если её количество велико.

Именно это многообразие сил и их пространственная неоднородность делает поведение воды в почве уникальным и требующим специальных понятий для описания — в первую очередь понятия водного потенциала, к которому мы переходим в следующем разделе.

Краткий итог по силам удержания

3.1. Почему простого количества воды недостаточно?

Представим себе две ситуации.

Ситуация 1. В песчаной почве влажность составляет 15% (от массы сухой почвы). Растения чувствуют себя прекрасно, вода легко поступает в корни.

Ситуация 2. В глинистой почве влажность составляет 25% — воды по массе даже больше. Но растения уже начинают увядать: вода удерживается так сильно, что корни не могут её извлечь.

Почему так происходит?

В песке вода в основном находится в крупных порах и толстых плёнках, где силы притяжения к поверхности частиц слабы. Молекулы воды обладают высокой свободной энергией — они могут легко покинуть своё место и перейти в корень.

В глине вода сосредоточена в тончайших порах и очень тонких плёнках, где силы адгезии и капиллярного удержания максимальны. Молекулы воды имеют низкую свободную энергию — чтобы их извлечь, нужно затратить большую работу.

Таким образом, решающим фактором является не количество, а энергетическое состояние воды. Именно это состояние и выражает водный потенциал (Foth, 1990; Weil, 2017).

3.2. Что такое водный потенциал?

Определим понятие строго.

Водный потенциал (Ψ) — это разность свободной энергии между водой в почве (в данной точке) и чистой свободной водой, находящейся при тех же температуре, давлении и на той же высоте, но не испытывающей влияния почвенных сил (Huang et al., 2012; White, 2006; Shukla, 2023).

Проще говоря, водный потенциал показывает, сколько работы нужно затратить, чтобы извлечь единицу воды из почвы и перевести её в стандартное состояние (чистая свободная вода на той же высоте). Или, наоборот, сколько работы может совершить вода, переходя из почвы в свободное состояние (White, 2006; Weil, 2017).

Это можно представить так:

• Если мы возьмём стакан чистой воды — это наш эталон, точка отсчёта. Потенциал такой воды принимается за ноль (Ψ = 0).
• Вода в почве всегда имеет более низкую свободную энергию, чем вода в стакане, потому что часть её энергии «потрачена» на взаимодействие с почвенными частицами и растворёнными солями.
• Поэтому водный потенциал почвенной воды почти всегда отрицательный (Ψ < 0). Чем суше и чем более тонкодисперсна почва, тем более отрицательным становится водный потенциал (Eash et al., 2016; White, 2006).

3.3. Почему потенциал отрицательный?

Это важно понять, чтобы избежать путаницы.

Отрицательный знак — это не «плохо» или «мало», это просто математическая конвенция, отражающая тот факт, что система «почвенная вода» имеет меньшую свободную энергию, чем эталонная свободная вода.

Представьте себе пружину. Если пружина сжата — она обладает потенциальной энергией, способной совершить работу. Если пружина уже разжалась — её способность совершать работу уменьшилась. Приняв разжатую пружину за точку отсчёта (нулевой потенциал), мы скажем, что сжатая пружина имеет положительный потенциал (она может совершить работу, разжимаясь). В случае с почвенной водой — наоборот: свободная вода (эталон) имеет максимальную свободную энергию. Вода в почве эту энергию уже частично потеряла, взаимодействуя с частицами. Поэтому её потенциал меньше, чем у эталона, — отсюда и отрицательный знак (White, 2006).

Чем сильнее вода удерживается почвой, тем более отрицательным становится её потенциал. Иными словами:

• Ψ = 0 — свободная вода (например, вода в стакане, в крупной луже).
• Ψ = –10 кПа — слабоудерживаемая вода (например, вода в крупных порах песка, легко доступная растениям).
• Ψ = –100 кПа — среднеудерживаемая вода (типичная вода в суглинке при полевой влагоёмкости).
• Ψ = –1500 кПа (≈ –15 бар) — сильноудерживаемая вода. Это стандартная граница доступности: при этом потенциале большинство сельскохозяйственных растений уже не могут извлекать воду, наступает постоянное увядание (Weil, 2017; White, 2006; Eash et al., 2016).
• Ψ = –10 000 кПа и ниже — вода, удерживаемая настолько сильно, что она доступна только крайне засухоустойчивым организмам (например, некоторым лишайникам) или вообще недоступна (Weil, 2017; Муха и др., 2003).

3.4. Единицы измерения водного потенциала

Водный потенциал можно выражать в разных единицах — важно уметь их переводить. В международной практике используются следующие основные системы (Huang et al., 2012; Weil, 2017; Shukla, 2023; White, 2006):

Соотношения для запоминания:

• 1 бар = 100 кПа ≈ 1 атм ≈ 1020 см вод. ст. (Weil, 2017)
• 1 кПа ≈ 10 см вод. ст. (приблизительно, для быстрой оценки)
• pF = log₁₀ (|Ψ| в см вод. ст.) (White, 2006; Муха и др., 2003)

Пример: Потенциал –1500 кПа можно выразить как:

• –15 бар
• –15 атм (приблизительно)
• –15 000 см вод. ст. (так как 1 бар ≈ 1000 см вод. ст.)
• pF ≈ 4,2 (так как log₁₀ 15 000 ≈ 4,18) (Weil, 2017; White, 2006)

На практике в современной литературе и международных публикациях чаще всего используют килопаскали (кПа) или мегапаскали (МПа). В полевых работах часто применяют бары (особенно в США) или сантиметры водяного столба для наглядности (Eash et al., 2016; Shukla, 2023).

3.5. Как водный потенциал «работает» в реальной почве?

Теперь мы подошли к самому главному: водный потенциал — это движущая сила всех процессов с участием воды в почве.

Вода всегда движется от более высокого потенциала (менее отрицательного) к более низкому (более отрицательному) — точно так же, как тепло переходит от более горячего к более холодному, а электрический ток — от большего потенциала к меньшему (Foth, 1990; Weil, 2017; Shukla, 2023).

Пример 1 (движение воды в почве после дождя).

• Верхний слой почвы насытился водой. Его потенциал близок к нулю (Ψ ≈ 0 кПа).
• Нижний слой остался сухим. Его потенциал сильно отрицательный (например, Ψ = –100 кПа).
• Вода будет двигаться вниз, от высокого потенциала к низкому, пока потенциалы не выровняются (или пока гравитация не изменит картину).

Пример 2 (капиллярный подъём).

• Грунтовые воды находятся на глубине. Потенциал воды на уровне грунтовых вод ≈ 0 кПа.
• В более высоких слоях почва сухая, потенциал отрицательный (например, –50 кПа).
• Вода будет подниматься вверх, от более высокого потенциала (0) к более низкому (–50 кПа) — именно это мы и называем капиллярным подъёмом.

Пример 3 (поглощение воды корнями).

• Влажная почва: потенциал воды в почве Ψ_почва = –100 кПа.
• Клетки корня: для того чтобы «втянуть» воду, корень должен создать в своих сосудах ещё более отрицательный потенциал (например, Ψ_корень = –500 кПа).
• Вода движется от почвы в корень, потому что потенциал в корне ниже (более отрицательный), чем в почве. Это создаёт градиент потенциала, который и «тянет» воду (Weil, 2017; White, 2006).

3.6. Водный потенциал как «универсальный язык»

Почему водный потенциал считается универсальным языком мировой науки?

Потому что он позволяет описывать единым образом все процессы с участием воды — от движения в порах до поглощения корнями и испарения листьями.

Вот пример:

Мы видим, что в этой таблице — единая шкала для всех объектов (атмосфера, растение, почва). Это и есть главная ценность водного потенциала: он позволяет сравнивать и прогнозировать движение воды в любой части системы «почва–растение–атмосфера» (Weil, 2017; White, 2006).

3.7. Понимание потенциала без сложной математики

В нашей лекции мы избегаем сложных формул, но важно дать общее представление о том, как измеряется водный потенциал.

Самый прямой способ — измерить относительную влажность воздуха над образцом почвы. Чем суше почва (и чем больше солей), тем ниже влажность пара над ней. Эта зависимость описывается уравнением Кельвина (Huang et al., 2012; White, 2006):

где:

• R — газовая постоянная;
• T — абсолютная температура;
• V_m — молярный объём воды;
• e / e₀ — относительная влажность воздуха над почвой (отношение фактической упругости пара к насыщенной).

Эта формула показывает, что потенциал тесно связан с упругостью водяного пара — и именно на этом принципе работают психрометры и другие приборы для измерения Ψ в сухих почвах (White, 2006; Shukla, 2023).

Для более влажных почв (от 0 до –100 кПа) используют тензиометры (приборы, измеряющие натяжение воды в порах) — мы обсудим их в следующей части лекции (Huang et al., 2012; Weil, 2017; Shukla, 2023).

Главное, что нужно запомнить:

Водный потенциал — это интегральная характеристика, которая учитывает:

• все силы, действующие на воду (адгезию, когезию, капиллярность, осмос, гравитацию) — через соответствующие компоненты потенциала (о которых речь в следующем разделе);
• температуру (через зависимость от T в уравнении);
• солевой состав (через осмотическую компоненту).

Таким образом, водный потенциал — это та единственная величина, которая содержит всю информацию о «состоянии» воды в почве. Он заменяет десятки частных характеристик и делает возможным точное прогнозирование поведения влаги.

Краткий итог по водному потенциалу

• Водный потенциал (Ψ) — это разность свободной энергии между водой в почве и чистой свободной водой (эталон).
• Он всегда отрицательный (кроме насыщенной почвы без солей, где Ψ ≈ 0).
• Чем суше и тоньше почва, тем более отрицателен Ψ — тем сильнее вода удерживается.
• Ψ измеряется в кПа, барах, атм, см вод. ст. (см. таблицу перевода).
• Вода всегда движется от более высокого Ψ (менее отрицательного) к более низкому (более отрицательному).
• Ψ является универсальной мерой, позволяющей объединить все процессы в системе «почва–растение–атмосфера» и дать им количественное описание.

4.1. Гравитационный потенциал (Ψ_g)

Гравитационный потенциал — это вклад силы тяжести в общий потенциал воды. Он определяется высотой положения воды относительно некоторой точки отсчёта (обычно это уровень почвы или уровень грунтовых вод) (Weil, 2017; White, 2006; Shukla, 2023).

Ключевые свойства:

• Ψ_g всегда положителен (или равен нулю), если точка находится выше уровня отсчёта, и отрицателен, если ниже. Это связано с тем, что для подъёма воды на высоту нужно затратить энергию, а вода, находящаяся выше, обладает потенциальной энергией, способной совершить работу при опускании.
• Он зависит только от высоты и не зависит от свойств почвы (пористости, текстуры).
• Ψg = \rhow \cdot g \cdot z, где \rho_w — плотность воды, g — ускорение свободного падения, z — высота над уровнем отсчёта (White, 2006; Shukla, 2023).

Значение для движения воды: Гравитационный потенциал — главная движущая сила нисходящего потока воды в почве (перколяции, дренажа) и подъёма при капиллярном поднятии (совместно с матричным потенциалом). Именно он заставляет гравитационную воду уходить вниз после дождя.

Важно: Гравитационный потенциал действует на всю воду в почве одинаково, независимо от её формы. Однако в тонких порах его действие компенсируется матричным потенциалом, и вода остаётся на месте.

4.2. Матричный потенциал (Ψ_m)

Матричный потенциал — это самый важный и сложный компонент для понимания поведения воды в почве. Он отражает совместное действие адгезии, когезии и капиллярных сил, возникающих на границе вода–твёрдая фаза (почвенная матрица) и вода–воздух (мениски) (Weil, 2017; White, 2006; Marshall et al., 1996).

Что такое «матрица»? Матрицей почвы называют совокупность твёрдых частиц (минеральных и органических) и порового пространства. Когда вода взаимодействует с этой матрицей, её энергия снижается.

Ключевые свойства матричного потенциала:

• Ψ_m всегда отрицательный (или равен нулю при полном насыщении), потому что вода, взаимодействуя с твёрдой фазой, теряет часть свободной энергии.
• Чем суше почва, тем более отрицателен Ψ_m (потому что вода остаётся только в самых тонких порах и плёнках, где силы притяжения максимальны) (Weil, 2017; White, 2006).
• Ψm зависит от влажности почвы — это основная связь, которая описывается кривой водоудерживания (см. следующий раздел). Чем меньше влажность, тем сильнее удерживается вода, тем более отрицателен Ψm.
• Ψm зависит от размера пор (капилляров): в тонких порах Ψm более отрицателен, чем в крупных (White, 2006).

Почему матричный потенциал отрицательный? Представьте, что мы хотим извлечь воду из почвы — мы должны совершить работу, чтобы преодолеть притяжение к поверхности частиц и разорвать капиллярные мениски. Эта работа как раз и равна абсолютному значению матричного потенциала. Поскольку энергия воды в почве меньше, чем у свободной воды, знак отрицательный.

Значение для растений: Матричный потенциал определяет, насколько сильно растение должно «тянуть» воду из почвы. Чем более отрицателен Ψ_m, тем большее усилие (более отрицательный потенциал в корнях) нужно создать, чтобы вода пошла в растение. Когда Ψ_m становится ниже –1500 кПа, большинство растений уже не могут создать достаточный градиент — наступает увядание (Weil, 2017; Eash et al., 2016).

4.3. Осмотический потенциал (Ψ_o)

Осмотический потенциал (называемый также солевым или растворным) обусловлен присутствием в почвенной воде растворённых солей, ионов и органических молекул. Эти частицы притягивают к себе молекулы воды, образуя гидратные оболочки, и тем самым понижают свободную энергию воды (Weil, 2017; White, 2006; Foth, 1990).

Ключевые свойства:

• Ψ_o всегда отрицательный (или равен нулю для чистой воды без солей).
• Величина Ψ_o пропорциональна концентрации растворённых веществ (чем больше солей, тем более отрицателен потенциал) (White, 2006; Shukla, 2023).
• Ψ_o не зависит от свойств твёрдой фазы, а определяется только составом почвенного раствора.

Важное отличие от матричного потенциала: Осмотический потенциал влияет на движение воды только при наличии полупроницаемых мембран (например, клеточных стенок корней). В открытых порах, без мембран, осмотические силы не создают направленного потока воды в почве — они лишь снижают общий потенциал, но вода не движется сама по себе к солёному участку, так как нет барьера. Однако если есть мембрана (например, корневой волосок), то вода будет двигаться через неё в сторону более высокой концентрации солей (осмос), стремясь разбавить раствор (Weil, 2017; White, 2006).

Значение для растений: В засоленных почвах Ψ_o может быть очень отрицательным (например, –1000 кПа и ниже). Это означает, что даже если почва влажная, общий потенциал (матричный + осмотический) настолько низок, что корни не могут «перетянуть» воду — наступает физиологическая засуха (растения вянут, даже когда почва мокрая) (Weil, 2017; Eash et al., 2016).

Соотношение для оценки: Приблизительно Ψ_o (в кПа) ≈ –36 × EC, где EC — электропроводность почвенного раствора в дСм/м (Shukla, 2023). Это эмпирическая зависимость, полезная для быстрой оценки.

4.4. Потенциал давления (гидростатический) (Ψ_p)

Потенциал давления (или гидростатический потенциал) возникает только в насыщенной (водонасыщенной) почве, когда все поры заполнены водой и вода находится под положительным гидростатическим давлением (Weil, 2017; White, 2006; Shukla, 2023).

Ключевые свойства:

• Ψ_p всегда положительный (или равен нулю на уровне свободной водной поверхности — водного зеркала).
• Он равен ρ_w · g · h, где h — глубина погружения ниже уровня грунтовых вод (т.е. высота столба воды над точкой) (White, 2006).
• В ненасыщенной почве *Ψ_p = 0* (давление равно атмосферному) (Weil, 2017; White, 2006).

Важное соотношение: Матричный потенциал (Ψ_m) и потенциал давления (Ψ_p) не могут существовать одновременно в одной точке (кроме переходных зон). В насыщенной почве Ψ_m = 0 (вода не удерживается матрицей, так как все поры заполнены), а Ψ_p > 0. В ненасыщенной почве Ψ_p = 0, а Ψ_m < 0. Это как бы две стороны одной медали: в насыщенном состоянии вода испытывает давление, в ненасыщенном — натяжение (Weil, 2017; White, 2006).

Значение: Потенциал давления важен для описания движения воды в зоне насыщения (грунтовые воды, водоносные горизонты). В агрономии он имеет значение при оценке переувлажнения, подтопления, дренажа.

4.5. Другие компоненты (кратко)

В некоторых специальных случаях выделяют и другие компоненты:

• Пневматический потенциал — возникает при изменении давления воздуха в почве (например, при нагнетании воздуха или при резких перепадах атмосферного давления). В обычных условиях пренебрежимо мал (White, 2006).
• Потенциал перекрывающего давления (overburden potential) — учитывается для набухающих почв, где вес вышележащих слоёв создаёт дополнительное давление на воду. Чаще используется в инженерной геологии, чем в агрономии (Shukla, 2023; Weil, 2017).

Для агрономической практики, как правило, достаточно учитывать три основных компонента: Ψ_m, Ψ_o и Ψ_g, а также Ψ_p при наличии грунтовых вод.

4.6. Как компоненты складываются в общий потенциал

Общий водный потенциал Ψ является алгебраической суммой всех действующих компонентов. Это означает, что мы просто складываем значения (с учётом знаков) в каждой конкретной точке.

Примеры:

1. Влажная ненасыщенная почва без солей, на уровне поверхности:

• Ψ_g = 0 (высота отсчёта = поверхность)
• Ψ_m = -30 кПа (типично для полевой влагоёмкости суглинка)
• Ψ_o ≈ 0 (солей нет)
• Ψ_p = 0 (ненасыщенно)
• Ψ = -30 кПа — вода доступна растениям.

2. Сухая почва с небольшим засолением, на склоне (выше уровня отсчёта на 1 м):

• Ψ_g = +10 кПа (приблизительно 1 м вод. ст. = 9,8 кПа)
• Ψ_m = -1000 кПа (сильно удерживается)
• Ψ_o = -200 кПа (соли)
• Ψ_p = 0
• Ψ = 10 - 1000 - 200 = -1190 кПа — вода практически недоступна.

3. Насыщенная зона ниже уровня грунтовых вод (на глубине 2 м от зеркала):

• Ψ_g = 0 (если отсчёт от зеркала) или отрицателен (если отсчёт от поверхности)
• Ψ_m = 0
• Ψ_p = +20 кПа (2 м вод. ст.)
• Ψ = +20 кПа — вода находится под положительным давлением.

4.7. Почему компоненты важны для практики

Понимание компонентов позволяет:

• Диагностировать причины стресса растений: если растения увядают при высокой влажности, вероятно, велик осмотический компонент (засоление).
• Прогнозировать движение воды: если в профиле есть градиент Ψ_m или Ψ_g, можно рассчитать направление и скорость потока (см. закон Дарси в следующих лекциях).
• Оценивать эффективность орошения: при поливе нужно учитывать не только количество воды, но и её потенциал (солёная вода может быть плохо доступна даже при высокой влажности).
• Планировать мелиорацию: например, промывка засоленных почв снижает Ψ_o, увеличивая доступность воды.

Сводная таблица компонентов водного потенциала

Краткий итог по компонентам

• Полный водный потенциал Ψ складывается из нескольких компонентов, каждый из которых соответствует определённому типу сил.
• Матричный потенциал — самый важный для агрономии, он отражает удерживающую способность почвы и определяет доступность влаги.
• Осмотический потенциал становится критическим в засолённых условиях.
• Гравитационный потенциал и потенциал давления важны для описания потоков воды в профиле и зоне насыщения.
• Зная компоненты, мы можем количественно предсказать, будет ли вода двигаться, куда и с какой интенсивностью, и сможет ли растение её использовать.

5.1. Почвенно-гидрологические константы: ключевые точки влажности

Почвенно-гидрологические константы — это количественные показатели влажности, соответствующие определённым значениям водного потенциала и характеризующие переходные состояния воды в почве (Муха и др., 2003; Weil, 2017). Их можно представить как «опорные точки» на непрерывной шкале влажности, каждая из которых имеет чёткий физический смысл.

Важнейшие константы (от наиболее влажного состояния к наиболее сухому):

1. Полная влагоёмкость (ПВ) — максимальное насыщение.

2. Наименьшая влагоёмкость (НВ) / Полевая влагоёмкость (ПВ) — верхняя граница доступной влаги.

3. Влажность разрыва капилляров (ВРК) — граница подвижности капиллярной воды.

4. Влажность завядания (ВЗ) — нижняя граница доступной влаги.

5. Максимальная гигроскопичность (МГ) — вода, удерживаемая сорбцией из пара.

Рассмотрим каждую из них подробно.

5.2. Как текстура и структура влияют на водоудерживание

Водоудерживающая способность почвы определяется двумя основными факторами:

1. Гранулометрический (текстурный) состав — размер частиц.

• Песчаные почвы (крупные частицы): мало тонких пор, вода удерживается слабо (невысокий Ψ_m при той же влажности). НВ низкая (10–15 %), ВЗ низкая (3–5 %), но доступной влаги (НВ – ВЗ) относительно мало (≈8–10 %) (Weil, 2017; Eash et al., 2016).
• Суглинистые почвы (средний размер): оптимальное сочетание пор разного размера. НВ высокая (25–35 %), ВЗ умеренная (10–15 %), доступная влага максимальна (≈15–20 %) (Weil, 2017).
• Глинистые почвы (мелкие частицы): много тонких пор, вода удерживается очень сильно. НВ высокая (35–45 %), но ВЗ тоже высокая (20–25 %), поэтому доступной влаги меньше, чем в суглинках (≈15–20 %, но вода труднодоступна при низких потенциалах) (Weil, 2017; Eash et al., 2016).

2. Структура почвы — агрегированность.

• Хорошо оструктуренная почва (с агрономически ценными агрегатами) имеет больше макропор (между агрегатами) и больше мезопор (внутри агрегатов). Это увеличивает общую пористость и улучшает соотношение воды и воздуха при НВ (Weil, 2017).
• Беструктурная, уплотнённая почва имеет меньше крупных пор, больше тонких. При той же НВ воздухопроницаемость хуже, а доступность воды для корней снижается из-за высокой доли труднодоступных тонких пор (Weil, 2017).

Ключевой вывод: Лучшей водоудерживающей способностью с точки зрения доступности для растений обладают суглинистые оструктуренные почвы — они имеют высокую НВ и умеренную ВЗ, что даёт максимальный запас доступной влаги.

5.3. Оценка запасов продуктивной влаги

В агрономической практике важно уметь количественно оценивать запасы доступной (продуктивной) влаги в почве. Для этого используют следующие показатели (Муха и др., 2003).

Общий запас воды (ОЗВ) — суммарное количество воды во всём исследуемом слое почвы (например, в корнеобитаемом слое 0–100 см). Рассчитывается как сумма запасов воды по каждому горизонту (с учётом его мощности, плотности и влажности).

Запас труднодоступной воды (ЗТВ) — количество воды, соответствующее влажности завядания (ВЗ) для каждого горизонта. Это та вода, которая растениями не используется.

Запас продуктивной влаги (ЗПВ) — разность между общим запасом воды и запасом труднодоступной воды:

Или, по-другому, это количество воды в почве сверх влажности завядания.

Формула для расчёта запаса воды в слое (Муха и др., 2003):

где:

• W — запас воды в слое, м³/га или мм водяного слоя;
• a — влажность почвы, % от массы сухой почвы;
• d_v — плотность почвы (объёмная масса), г/см³;
• h — мощность слоя, см.

Перевод в мм водяного слоя: 1 м³/га = 0,1 мм водяного слоя (Муха и др., 2003). Это удобно для сравнения с осадками или поливными нормами.

Оценка запасов продуктивной влаги (по Муха и др., 2003, адаптировано):

5.4. Пример расчёта запаса продуктивной влаги

Задача. Оценить запас продуктивной влаги в слое 0–50 см. Известно:

• Слой 0–20 см: плотность 1,2 г/см³, влажность 25 %; ВЗ для этого слоя 12 %.
• Слой 20–50 см: плотность 1,4 г/см³, влажность 22 %; ВЗ 10 %.

Решение:

1. Общий запас воды:

• Слой 0–20 см: W₁ = 25 · 1,2 · 20 = 600 м³/га = 60 мм.
• Слой 20–50 см: W₂ = 22 · 1,4 · 30 = 924 м³/га = 92,4 мм.
• ОЗВ = 600 + 924 = 1524 м³/га = 152,4 мм.

2. Запас труднодоступной воды (ЗТВ, при ВЗ):

• Слой 0–20 см: W_ВЗ1 = 12 · 1,2 · 20 = 288 м³/га = 28,8 мм.
• Слой 20–50 см: W_ВЗ2 = 10 · 1,4 · 30 = 420 м³/га = 42 мм.
• ЗТВ = 288 + 420 = 708 м³/га = 70,8 мм.

3. Запас продуктивной влаги (ЗПВ):

• ЗПВ = 152,4 – 70,8 = 81,6 мм.

Оценка: По таблице для слоя 0–50 см (среднее значение между 0–20 и 0–100 см) запас около 81 мм соответствует хорошей обеспеченности влагой.

Краткий итог по водоудерживающей способности

• Водоудерживающая способность — это комплексное свойство, описываемое системой почвенно-гидрологических констант.
• Наименьшая влагоёмкость (НВ) и влажность завядания (ВЗ) — две ключевые константы, определяющие запас продуктивной (доступной) влаги.
• Разница между НВ и ВЗ — это доступная влага, которая может быть использована растениями.
• Наибольшие запасы доступной влаги характерны для суглинистых оструктуренных почв.
• Расчёт запасов продуктивной влаги позволяет количественно оценить водообеспеченность посевов и планировать мелиоративные мероприятия.
• Максимальная гигроскопичность (МГ) — «мёртвый запас» воды, который никогда не учитывается как доступный.

6.1. Что такое кривая водоудерживания?

Кривая водоудерживания (soil water retention curve, SWC) — это графическое отображение функциональной зависимости между содержанием воды в почве (обычно объёмной влажностью θ_v, в %) и матричным потенциалом (Ψ_m), выраженным чаще всего в логарифмической шкале (Weil, 2017; White, 2006; Huang et al., 2012; Eash et al., 2016; Shukla, 2023).

Обычно на графике:

• Ось X (горизонтальная) — объёмная влажность θ_v (в % или м³/м³), возрастает слева направо.
• Ось Y (вертикальная) — матричный потенциал Ψ_m (в кПа, барах или см вод. ст.), чаще в логарифмической шкале (т.е. pF), потому что диапазон изменения потенциала огромен — от 0 до сотен тысяч кПа. Логарифмическая шкала позволяет компактно представить весь диапазон от насыщения до воздушно-сухого состояния (Weil, 2017; White, 2006).

Кривая строится экспериментально для каждого генетического горизонта или слоя почвы. Для этого образец почвы насыщают водой, а затем последовательно создают различные значения матричного потенциала (например, с помощью тензиометров, вакуумных столиков, мембранных установок) и измеряют соответствующую влажность. Полученные точки соединяют плавной кривой (Weil, 2017; White, 2006; Shukla, 2023).

6.2. Что показывает кривая водоудерживания?

Кривая водоудерживания даёт три типа важнейшей информации:

6.3. Влияние текстуры и структуры на форму кривой

Форма кривой водоудерживания сильно зависит от гранулометрического состава (текстуры) и структуры почвы (Weil, 2017; White, 2006; Eash et al., 2016; Shukla, 2023).

6.4. pF-шкала: логарифмическое представление потенциала

В русскоязычной и европейской почвенной литературе широко используется понятие pF (Муха и др., 2003; White, 2006). Это логарифм (по основанию 10) абсолютного значения матричного потенциала, выраженного в сантиметрах водяного столба:

Примеры перевода:

Преимущества pF-шкалы:

• Компактно представляет огромный диапазон изменений потенциала (от 0 до 7 и выше).
• Удобна для построения графиков — логарифмическая шкала по оси Y делает кривую более наглядной.
• В старых и многих современных работах по физике почвы используются именно pF-значения (Муха и др., 2003; White, 2006).

Ограничение: pF — это не единица СИ. В международных публикациях всё чаще используют кПа или МПа, но понимание pF необходимо для чтения специальной литературы.

6.5. Влияние наклона кривой: дифференциальная влагоёмкость

Наклон кривой водоудерживания в каждой точке (dθ/dΨ_m или dθ/d(pF)) имеет физический смысл — это дифференциальная влагоёмкость (или удельная водоудерживающая способность) (White, 2006; Huang et al., 2012). Она показывает, какое количество воды высвобождается при единичном уменьшении потенциала.

• Крутой наклон (большое значение dθ/dΨ) означает, что небольшое увеличение удерживающей силы приводит к значительному уменьшению влажности (характерно для песчаных почв при высоких потенциалах).
• Пологий наклон (малое значение) означает, что даже большое изменение потенциала даёт лишь малое изменение влажности (характерно для глинистых почв при низких потенциалах).

Практическое значение: Дифференциальная влагоёмкость важна для расчёта скорости движения воды в ненасыщенной почве (см. закон Дарси, лекции 5–6). Она также позволяет оценить, насколько быстро почва отдаёт воду растениям при снижении потенциала в корневой зоне.

6.6. Гистерезис: почему кривая разная при увлажнении и осушении

Одно из важнейших свойств кривой водоудерживания — гистерезис (Weil, 2017; White, 2006; Marshall et al., 1996; Shukla, 2023). Это явление состоит в том, что кривая, полученная при осушении (уменьшении влажности), не совпадает с кривой, полученной при увлажнении (увеличении влажности): при одном и том же матричном потенциале влажность на кривой осушения выше, чем на кривой увлажнения (Weil, 2017; White, 2006).

Причины гистерезиса:

1. «Эффект бутылочного горлышка» (ink-bottle effect) — поры имеют неровную форму: широкие полости соединяются узкими горлышками. При осушении вода удерживается в широкой части, пока потенциал не станет достаточно низким, чтобы прорвать мениск через узкое горлышко. При увлажнении, наоборот, широкие полости заполняются только после того, как вода пройдёт через узкие горлышки, что требует более высокого потенциала (менее отрицательного). В результате при одном и том же потенциале на кривой осушения влажность выше (Weil, 2017; Marshall et al., 1996).

2. Разный угол смачивания при наступающей и отступающей воде — он больше при увлажнении (гидрофобные эффекты), что снижает капиллярное давление (Marshall et al., 1996; Weil, 2017).

3. Захват воздуха при увлажнении — часть пор остаётся заполненной воздухом, поэтому влажность при насыщении на кривой увлажнения чуть ниже, чем на кривой осушения (Weil, 2017).

4. Набухание и усадка глинистых почв — при осушении объём пор уменьшается, а при увлажнении увеличивается, что также меняет форму кривой (Weil, 2017; Marshall et al., 1996).

Практическое значение гистерезиса:

• При одинаковой влажности вода в осушенной почве (после дождя) удерживается слабее (менее отрицательный потенциал), чем в увлажняемой (при капиллярном подъёме или слабом поливе). Это означает, что в почве, которая высыхает, вода более доступна, чем в той, которая увлажняется до той же влажности.
• Для точного расчёта водного режима нужно знать, по какой ветви (осушения или увлажнения) идёт процесс в данный момент.
• В агрономической практике, как правило, пользуются кривой осушения, потому что в поле почва чаще всего высыхает после дождя или полива (Weil, 2017; White, 2006).

6.7. Как кривая водоудерживания используется на практике?

1. Оценка запасов доступной влаги для планирования орошения.

Зная кривую для корнеобитаемого слоя, можно по измеренной влажности определить Ψ_m и наоборот. Это позволяет точно рассчитать, сколько воды ещё доступно растениям, и когда нужно проводить полив (Eash et al., 2016; Shukla, 2023).

2. Диагностика почвенного плодородия.

Форма кривой (особенно крутизна и положение относительно осей) даёт информацию о качестве структуры, степени уплотнения, засоления, содержании органического вещества (Weil, 2017).

3. Мелиорация и оценка пригодности почв для орошения.

Сравнение кривых для разных горизонтов позволяет оценить, как вода будет распределяться по профилю, возможен ли капиллярный подъём, будет ли заболачивание (White, 2006).

4. Моделирование водного режима.

Кривая водоудерживания — обязательный входной параметр для всех математических моделей движения воды и солей в почве (например, HYDRUS, SWAP). Без неё расчёты невозможны (Huang et al., 2012; Shukla, 2023).

5. Оценка риска засухи.

Зная кривую и текущую влажность, можно определить, сколько дней (при средней эвапотранспирации) почва сможет обеспечивать растения водой до достижения ВЗ (Eash et al., 2016).

6.8. Пример: три кривые — три почвы

Рассмотрим три типичные кривые водоудерживания (по Weil, 2017; White, 2006; Shukla, 2023, см. рис. 5.12 в Weil, 2017).

Вывод: Суглинок даёт наибольший запас доступной влаги, причём эта влага распределена в широком диапазоне потенциалов, что обеспечивает постепенное расходование. Песок имеет мало доступной воды, и она быстро заканчивается. Глина имеет много воды, но значительная её часть труднодоступна.

Краткий итог по кривой водоудерживания

• Кривая водоудерживания — это фундаментальная характеристика почвы, связывающая влажность и матричный потенциал.
• На ней легко идентифицируются все основные почвенно-гидрологические константы (НВ, ВЗ, МГ и др.).
• Форма кривой определяется текстурой и структурой: песок — крутая, глина — пологая, суглинок — оптимальная.
• pF-шкала (логарифм потенциала в см вод. ст.) — удобный способ компактного представления широкого диапазона потенциалов.
• Гистерезис — различие между кривыми осушения и увлажнения, обусловленное сложной геометрией пор, углом смачивания и набуханием.
• Кривая водоудерживания — необходимый инструмент для расчёта водного баланса, планирования орошения, оценки плодородия и моделирования.

7.1. Доступность как функция водного потенциала

Растения поглощают воду пассивно (в основном) — вода поступает в корни по градиенту водного потенциала из почвы в корень (Weil, 2017; White, 2006). Для этого корневые клетки должны создавать в своих сосудах более отрицательный водный потенциал, чем вода в почве. Чем ниже (более отрицателен) потенциал почвенной воды, тем большее «усилие» (т.е. более отрицательный потенциал в корнях) должно приложить растение.

Таким образом, доступность воды определяется не столько самой влажностью, сколько разностью потенциалов Ψ_почва - Ψ_корень, которую способно создать растение (Eash et al., 2016; Weil, 2017).

Ключевые границы на шкале потенциала (по Weil, 2017; White, 2006; Eash et al., 2016):

• Ψ_почва > -30 кПа (около НВ) — вода легко доступна, поглощение идёт активно.
• Ψ_почва ≈ -100…–300 кПа — доступность начинает снижаться, но многие культуры ещё могут поглощать воду с достаточной скоростью.
• Ψ_почва ≈ -1500 кПа — стандартный предел доступности. Большинство сельскохозяйственных культур (кукуруза, пшеница, соя и др.) не могут создать более отрицательный потенциал в корнях, поэтому наступает постоянное увядание (Weil, 2017; Eash et al., 2016). Некоторые засухоустойчивые растения (ксерофиты, например, некоторые виды полыни, саксаул) способны извлекать воду при потенциалах до –3000…–8000 кПа (Weil, 2017; White, 2006).
• При Ψ_почва < -3100 кПа (МГ) вода удерживается почти исключительно сорбционными силами и недоступна для всех высших растений.

Важно: Влажность завядания (ВЗ) — это конвенциональная величина, принятая для удобства сравнения. Фактически у разных видов растений этот предел отличается, а также зависит от скорости испарения (в жаркий ветреный день увядание может наступить при более высоком потенциале) (Weil, 2017; White, 2006). Поэтому в агрономии часто используют понятие «порог полива» — это влажность, при которой необходимо начинать орошение, чтобы не допустить снижения урожайности. Обычно он лежит выше ВЗ (например, при Ψ ≈ -500…–800 кПа) (Eash et al., 2016; White, 2006).

7.2. Доступность воды и текстурно-структурные особенности почвы

Как мы видели из кривых водоудерживания, разные почвы при одном и том же потенциале содержат разное количество воды. Это напрямую влияет на запас доступной влаги и скорость её поступления к корням.

Вывод (Weil, 2017; Eash et al., 2016): Суглинистые оструктуренные почвы обеспечивают наилучшую доступность воды, потому что сочетают достаточно большой запас и хорошую гидравлическую проводимость. Глины часто страдают от того, что при высокой влажности вода плохо передвигается к корням, создавая «физиологическую сухость» (растения испытывают стресс даже при высокой влажности). Пески, наоборот, быстро отдают воду, но её запас слишком мал.

Влияние структуры: Хорошо агрегированная почва имеет внутри агрегатов мезопоры, удерживающие доступную воду, и макропоры между агрегатами, обеспечивающие дренаж и аэрацию. При уплотнении макропоры разрушаются, доля тонких пор растёт, и кривая водоудерживания сдвигается: НВ может немного снизиться, но ВЗ возрастает (из-за увеличения числа тонких пор), и доступная влага уменьшается, а вода становится более труднодоступной (Weil, 2017). Это один из механизмов негативного влияния переуплотнения почв на растения.

7.3. Второй ключевой фактор: скорость передвижения воды к корням

Даже если вода присутствует в почве в доступной форме (потенциал выше ВЗ), она должна успеть дойти до корня с достаточной скоростью, чтобы покрыть транспирационный расход. Этот аспект часто упускают из виду, но он критичен (Weil, 2017; White, 2006; Eash et al., 2016).

Гидравлическая проводимость (K) ненасыщенной почвы резко падает с уменьшением влажности (т.е. с понижением потенциала) (White, 2006; Weil, 2017). В песчаных почвах при потенциалах выше –100 кПа проводимость ещё высока, но как только влажность приближается к ВЗ, K становится очень малой. В глинистых почвах K при насыщении мала, но при снижении потенциала она уменьшается не так драматично, однако абсолютные значения всегда ниже, чем в песках.

В результате:

• В песчаной почве при влажности, близкой к полевой влагоёмкости, вода легко поступает к корням. Но как только запас доступной влаги уменьшается наполовину, проводимость может упасть настолько, что корни не успевают её «забирать», и растения испытывают стресс даже при влажности выше ВЗ (Weil, 2017).
• В глинистой почве вода передвигается медленно всегда, поэтому растения могут испытывать водный дефицит даже при относительно высокой влажности из-за низкой скорости пополнения воды вокруг корней.

Практический вывод: Для оценки доступности важно знать не только количество воды, но и скорость, с которой она может перемещаться к корням. В агрономии часто используют понятие «критическая влажность» — влажность, при которой гидравлическая проводимость падает настолько, что поступление воды не успевает за потреблением. Она обычно выше ВЗ и зависит от культуры и погодных условий (Eash et al., 2016; White, 2006).

7.4. Осмотический потенциал и засоление: когда вода есть, но она «недоступна»

Как мы обсуждали в разделе 4, осмотический потенциал (Ψ_o) снижает общий водный потенциал почвенного раствора. В засолённых почвах Ψ_o может быть очень отрицательным (например, –1000 кПа и ниже). Это означает, что общий потенциал воды Ψ = Ψ_m + Ψ_o становится значительно более отрицательным, чем матричный потенциал сам по себе (Weil, 2017; White, 2006; Shukla, 2023).

Для растения это проявляется так:

• Корень должен создать потенциал, более отрицательный, чем сумма матричного и осмотического потенциалов почвы, чтобы втянуть воду.
• Если в почве много солей, корни вынуждены тратить дополнительную энергию на осмотическую регуляцию (накопление солей в клетках), чтобы снизить свой внутренний потенциал.
• Когда осмотический потенциал почвы становится слишком низким, даже при влажной почве (высокий Ψ_m) общий Ψ может оказаться ниже, чем способен создать корень. Тогда наступает физиологическая засуха — растение вянет, несмотря на наличие воды в почве (Weil, 2017; Eash et al., 2016).

Оценка влияния засоления:

• При электропроводности почвенного раствора > 4 дСм/м (≈ –144 кПа осмотического потенциала) чувствительные культуры уже начинают страдать.
• При 8–10 дСм/м (≈ –300…–360 кПа) страдают многие среднетолерантные культуры.
• При > 16 дСм/м (≈ –576 кПа) лишь солеустойчивые растения (галофиты) могут нормально развиваться (Shukla, 2023; Weil, 2017).

Практический вывод: При оценке доступности воды в засолённых районах необходимо учитывать осмотический компонент. Орошение должно не только увлажнять, но и обеспечивать промывной режим для удаления солей из корнеобитаемого слоя (Eash et al., 2016; Weil, 2017).

7.5. Концепция «наименее ограничивающего диапазона влажности» (LLWR)

Традиционное определение доступной воды (НВ–ВЗ) не учитывает два важных ограничения: недостаток кислорода при переувлажнении и высокое механическое сопротивление почвы при сильном иссушении. Поэтому в современной агрофизике используется более комплексный подход — наименее ограничивающий диапазон влажности (Least Limiting Water Range, LLWR) (Weil, 2017).

Идея LLWR:

Диапазон влажностей, в котором одновременно выполняются три условия для нормального роста корней:

1. Достаточно воздуха (содержание воздуха в порах > 10 % объёма) — ограничивает верхнюю границу диапазона (слишком влажно).

2. Достаточно воды (потенциал выше ВЗ, т.е. > –1500 кПа) — ограничивает нижнюю границу традиционно.

3. Механическое сопротивление почвы не превышает ~2000 кПа (т.е. корни могут проникать без чрезмерных усилий) — при сильном иссушении почва становится твёрдой, и корни не могут расти (Weil, 2017).

Как это работает на практике:

• В рыхлой, хорошо оструктуренной почве LLWR почти совпадает с диапазоном НВ–ВЗ, потому что аэрация достаточна даже при НВ, а механическое сопротивление становится критичным только при влажности, близкой к ВЗ (Weil, 2017).
• В уплотнённой почве LLWR значительно уже: верхняя граница (аэрация) сдвигается вниз (при более низкой влажности воздух вытесняется), а нижняя граница (механическое сопротивление) сдвигается вверх (почва становится слишком твёрдой уже при влажности выше ВЗ). В результате диапазон влажностей, благоприятных для корней, сильно сужается (Weil, 2017).

Иллюстрация (Weil, 2017, рис. 5.39):

• Неуплотнённый суглинок: LLWR ≈ 15–30 % влажности.
• Уплотнённый суглинок: LLWR ≈ 20–25 % — диапазон сужается, и корни могут расти только в узком интервале влажности.

Агрономическое значение: Учёт LLWR позволяет более точно прогнозировать, когда почва становится неблагоприятной для роста корней, и планировать мероприятия по борьбе с уплотнением (рыхление, внесение органики) и регулированию водного режима.

7.6. Доступность воды в разных частях профиля и роль корневой системы

Доступность воды определяется не только свойствами одного слоя, но и всем почвенным профилем и глубиной проникновения корней (Weil, 2017; Eash et al., 2016; White, 2006).

• Запас доступной воды в профиле рассчитывается как сумма доступной влаги по каждому горизонту, в который проникают корни (см. раздел 5.3). Чем глубже корни, тем больший объём почвы они могут «обследовать», и тем больше доступной воды может быть использовано (Weil, 2017; Eash et al., 2016).
• В засушливых условиях растения с глубокой корневой системой (например, люцерна, подсолнечник) могут извлекать влагу из глубоких горизонтов, где влажность ещё высока, тогда как поверхностный слой уже иссушён (Weil, 2017; Eash et al., 2016).
• Стратификация (слоистость) профиля может сильно влиять на доступность. Например, если тонкий суглинистый слой лежит на песке, то вода из суглинка не будет уходить в песок (капиллярный барьер), и доступная влага в верхнем слое сохраняется дольше (Weil, 2017; White, 2006). Наоборот, если песок лежит поверх суглинка, вода быстро уходит вниз, и верхний слой иссушается.

Практический вывод: При оценке водообеспеченности необходимо учитывать не только свойства каждого горизонта, но и мощность корнеобитаемого слоя, а также возможные барьеры для движения воды и корней.

7.7. Практические рекомендации для агронома

1. Для принятия решения о поливе лучше ориентироваться не на фиксированную влажность, а на водный потенциал (измеряемый тензиометрами) или на запас продуктивной влаги в долях от НВ (например, полив при снижении до 60–70 % НВ для большинства культур) (Eash et al., 2016; Weil, 2017).

2. Учитывайте текстуру: на песках поливы должны быть чаще, но меньшими нормами; на глинах — реже, но большими (с учётом медленной инфильтрации) (Eash et al., 2016).

3. Обращайте внимание на уплотнение: оно сужает LLWR, ухудшает аэрацию при высокой влажности и увеличивает механическое сопротивление при иссушении. Регулярное рыхление и внесение органики улучшают структуру (Weil, 2017).

4. В засолённых районах нужно проводить промывные поливы и следить за осмотическим потенциалом (по электропроводности). Для расчёта промывных норм используют знание кривой водоудерживания и солей (Weil, 2017; Shukla, 2023).

5. Для прогноза развития засухи используйте данные о влажности и кривой водоудерживания, чтобы рассчитать, на сколько дней хватит текущего запаса доступной влаги при средней суточной эвапотранспирации (Eash et al., 2016).

7.8. Обобщающая таблица: доступность и факторы

Краткий итог по доступности воды

• Доступность воды растениям определяется не её количеством, а энергетическим состоянием (водным потенциалом) и скоростью поступления (гидравлической проводимостью).
• Нижняя граница доступности — влажность завядания при Ψ = –1500 кПа (условно для большинства культур).
• Верхняя граница — влажность, при которой нарушается аэрация (≈ НВ, но в уплотнённых почвах критическая влажность может быть ниже).
• Концепция LLWR (наименее ограничивающий диапазон влажности) даёт более реалистичную оценку условий для корней, чем простая разница НВ–ВЗ.
• Засоление и уплотнение существенно снижают доступность, требуя специальных мероприятий (промывка, рыхление, органика).
• Для практического управления поливами и мелиорациями необходимо использовать кривую водоудерживания и измерять водный потенциал или запас продуктивной влаги.

Заключение к лекции

Мы прошли путь от вопроса «почему вода в почве не ведёт себя как в стакане» до понимания того, что доступность воды для растений — это сложная функция энергетического состояния, структуры порового пространства и скорости передвижения. Мы познакомились с формами воды, силами удержания, водным потенциалом и его компонентами, почвенно-гидрологическими константами, кривой водоудерживания и, наконец, с тем, как все эти знания применяются для оценки водообеспеченности растений.

Главные выводы лекции:

1. Вода в почве удерживается комплексом сил (адгезия, когезия, капиллярность, осмос, гравитация), что делает её поведение принципиально иным, чем у свободной воды.

2. Водный потенциал — это универсальный язык, позволяющий количественно описать энергетическое состояние воды и предсказывать её движение.

3. Основной вклад в удержание воды в ненасыщенной почве вносит матричный потенциал, связанный с размером пор и толщиной водных плёнок.

4. Кривая водоудерживания графически связывает влажность и матричный потенциал, давая возможность определить все ключевые константы (НВ, ВЗ, МГ) и оценить поровое пространство.

5. Доступность воды для растений определяется не столько её количеством, сколько потенциалом и гидравлической проводимостью; засоление и уплотнение существенно её ограничивают.

6. Для практического земледелия необходимо использовать эти знания для оптимизации орошения, борьбы с уплотнением и мелиорации засолённых почв.

Эти принципы станут основой для последующих лекций по движению воды в почве, водному режиму, орошению и мелиорации. Понимание физики почвенной влаги — ключ к устойчивому управлению водными ресурсами в сельском хозяйстве.