Почвенные воды: Почвенные воды

Почвенные воды

Почвенные воды, как уже было указа­но, представляют воды, залегающие у дневной поверхно­сти. Они не имеют непосредственно под собой водоупорного ложа и в этом отношении являются как бы водами под­вешенными. Наличие подобных вод можно представить себе следующим образом. На какой-нибудь поверхности в течение года выпало некоторое количество осадков, например 536 мм (Москва). Часть этих осадков испарилась, другая стекла по неровностям рельефа и третья (допустим, около 25%, т. е. 134 мм) просочилась в землю. Если при­нять пористость сухой земли в данном месте равной около 30%, то просочившаяся вода смочит землю на глубину не более 60 см и дальше вглубь в жидком состоянии не продвинется в силу влагоемкости земли. Таким образом эта вода окажется как бы во взвешенном состоянии в порах породы и будет существовать до тех пор, пока вследствие испарения, транспирации или передвижения вглубь в паро­образном состоянии она не иссякнет. Гравитационная вода здесь бывает нормально только в периоды избыточного увлажнения: в периоды снеготаяния, обложных дождей, разливов рек в поймах и пр.

Иногда почвенные воды определяют как воды, залегаю­щие в той части почвы, которая занята корневыми система­ми травянистых и кустарниковых растений, или же как воды, приуроченные к зоне зимнего промерзания. И то и другое определение не вполне удовлетворительно, особен­но второе. При продвижении с севера на юг мы попадаем в область, где промерзание отсутствует, и, таким образом, в этих областях как будто бы невозможно наличие почвен­ных вод, тогда как на самом деле они там фактически существуют.

Почвенные воды отличаются сезонным характером (чрезвычайно резко зависят от гидрометеорологических фак­торов), резкими колебаниями их температуры (зимой они могут замерзать, а летом нагреваться до температуры свыше 50° С), обогащенностью микроорганизмами и органи­ческими веществами (гумус). Почвенный слой богат всякого рода бактериями, в том числе болезнетворными. Эти же бак­терии характерны и для почвенных вод. Поэтому почвенные воды непригодны для технического использования и питья, хотя в условиях избыточного увлажнения они пресные.

Следует заметить, что микроорганизмы далеко вглубь из почвенного слоя проникнуть не могут; обычно на глуби­не 5—10 м их уже не бывает. Почвенный слой с его микро- органическим населением является хорошим обеззаражива­ющим фильтром, в котором гибнут болезнетворные бакте­рии, попадающие в почву с нечистотами; почвенные цито­фаги уничтожают целый ряд заразных бактерий, такие как тифозные, холерные и др.

Иногда к почвенным водам относят скопления льда, наблюдаемые в пещерах, хотя это и неверно. Лед в пеще­рах, в отличие от вековой мерзлоты, может существовать в течение всего года в местностях с годовой температу­рой выше нуля, и даже в теплое лето, если зимой темпера­тура в этой местности опускается ниже нуля и пещеры представляют полости, направляющиеся в глубь земли. При этих условиях холодный воздух переохлаждает зимой стенки пещер, а благодаря уклону вглубь летом согревание этих пещер очень затруднительно. Попадающие в пещеры внешние воды замерзают там и в зависимости от размеров и глубины пещер могут продержаться очень долго. Пеще­ры, направляющиеся в глубь материка горизонтальными ходами, или ходами, поднимающимися кверху, непригодны для накопления в них льда. Как пример ледяных пещер в местностях с годовой температурой выше 0, можно при­вести пещеры Крыма и окрестности г. Куйбышев.

Так как почвенные воды более всего интересуют агроно­мов и почвоведов, как один из важнейших факторов разви­тия растительного покрова, то по существу только в почвен­ной и агрономической литературе мы и встречаем более или менее полные сведения о жизни и характере этих вод. В некоторых случаях, когда почвенные воды имеют постоянный характер и вызывают заболачивание, они при­влекают внимание гидрогеологов, гидротехников и мелио­раторов.

Схема соотношений почвенных и грунтовых вод

В почвенной литературе можно нередко встретить тер­мин «почвенно-грунтовые воды». Этот термин употребляет­ся в случае слияния почвенных и грунтовых вод в единый водоносный горизонт. Подобное явление имеет место тогда, когда:

1. вследствие избыточного питания мощность гори­зонта почвенных вод нарастает, в результате последние заполняют пояс аэрации или мертвый горизонт и приходят в контакт с грунтовыми водами. Это наблюдается, напри­мер, в орошаемых районах в сезоны усиленных поливов или в областях близкого к поверхности земли залегания грунтовых вод в сезоны снеготаяния и избыточных атмо­сферных осадков. При этом наблюдается движение пресных поливных или атмосферных вод вглубь и соответственное опреснение грунтовых вод, если они были солоноватыми или солеными;
2. вследствие нарастания мощности грунто­вых вод, например, при подтоке из области питания, рас­положенной в стороне от места наблюдания, и приближе­ния зеркала грунтовых вод к поверхности земли. При этом свойства грунтовых вод передаются почвенным водам. Последние могут осолониться, если минерализация грунто­вых вод велика.

В орошаемых районах нередко наблюдается повышение уровня грунтовых вод, залегавших до орошения на значи­тельных глубинах. Если породы, содержащие грунтовые воды, очень мелкоземисты, то капиллярный подъем разви­вается в них на высоту 2 м и более. При неучете этого обстоятельства орошение полей ведет к более или менее быстрому подъему грунтовых вод в зависимости от того, как производится орошение. Рассчитать потребное количе­ство воды для орошения таким образом, чтобы вся полив­ная вода была израсходована на транспирацию растениями и на испарение из увлажненного слоя почвы, почти невоз­можно. Трудно заранее предугадать, какой будет ход климатических условий и влияние этих условий на естест­венное увлажнение и иссушение почвы. Поэтому для орошения полей вода подается с некоторым избытком, который и идет на питание грунтовых вод. Уровень послед­них постепенно, из года в год, нарастает, а его капил­лярная кайма постепенно приближается к почве. Если грунтовые воды солоноваты или соленые и если толща горной породы, лежащей под слоем в той или иной мере осолонена, то капиллярные струйки также осолоняются. Достигнув почвы, а иногда и поверхности земли, капил­лярные воды испаряются, а принесенные ими соли отла­гаются как в самой почве, так, иногда, и на ее поверхно­сти. Происходит так называемое вторичное засоление почвы.

При капиллярном перемещении к поверхности земли солоноватых или соленых вод наблюдается и некоторое изменение раствора грунтовых вод; в капиллярах хлори­стые соединения передвигаются быстрее, а углекислые медленнее, поэтому, в конечном итоге, состав воды в капил­лярах, приблизившейся к почве в результате подъема уров­ня грунтовых вод, подпитанного оросительными пресными водами, отличается от состава собственно грунтовых вод. Эти своеобразные последствия орошения почв в засушли­вых областях требуют внимательного изучения гидро­геологических условий в районах подлежащих орошению земель. Основная задача исследования — предотвращение возможности вредных последствий орошения. Вопросами этого порядка занимается мелиоративная гидрогеология.

Следует различать вторичное засоление, наблюдающее­ся в результате подъема грунтовых вод при орошении, от природного засоления почв (осоление почв, образование солонцов, солончаков и пр.) вне зависимости от искус­ственного орошения. В некоторых областях, например на равнинах, прилегающих к Аральскому и Каспийскому морям, существуют подземные воды, образующие напор­ные водоносные горизонты. Водоупорные кровли этих водо­носных горизонтов недостаточно плотны и напорная вода, хотя и очень медленно, все же просачивается сквозь водо­упорные кровли и питает грунтовые воды. В данном случае наблюдается питание грунтовых вод не только за счет атмосферных осадков, но и за счет напорных вод глубоких водоносных горизонтов.

Грунтовые воды, поднимаясь по капиллярам до по­верхности земли, постепенно отдают растворенные в них вещества почве. В результате этого «векового» процесса происходит первичное засоление почв. В возникающих подобным образом солончаках можно наблюдать самые разнообразные минеральные образования — сульфатные, хлоридные, содовые и т. п. Наличие таких солончаков может служить поисковым признаком для обнаружения глубокозалегающих напорных (артезианских) водоносных горизонтов.

Вопросы осушения — это вопросы, касающиеся удале­ния избыточных почвенных и грунтовых вод. Изучение процессов заболачивания и режима вод заболоченных пространств представляет один из наиболее важных момен­тов при изучении почвенных вод, вернее комплекса почвен­но-грунтовых вод в районах избыточного увлажнения.

В почвенной литературе встречаются указания на суще­ствование «внутрипочвенного стока». Считают, что на поло­гих склонах дождевая и талая вода, насыщая почву, не просачивается вглубь, а стекает по внутрипочвенным слоям вдоль поверхности склона в сторону речной долины. Для подтверждения этой мысли приводятся данные опытных исследований. Анализ этих данных, произведенный Б. И. Куделиным, показал их несостоятельность. Сама идея внутрипочвенного стока противоречит законам гидродинамики, по которым капельно­жидкая вода, подчиняясь силе тяжести, просачивается вглубь до водоупорного пласта, по поверхности которого и могла бы стечь в сторону уклона этой поверхности.

Если в почве наблюдаются менее водопроницаемые прослои, например иллювиальный горизонт, то в моменты усиленного питания (снеготаяние и пр.) на этом горизонте может скопиться гравитационная (капильно-жидкая) вода как временный водоносный горизонт типа «верховодки». При наличии избыточного увлажнения и равнинном релье­фе здесь образуется болото.

Различают два основных типа болот — водораздельные и долинные.

Водораздельные болота возникают на более или менее равнинных междуречных пространствах, сложенных трудно-проницаемыми породами, и питаются за счет атмосферных осадков в областях избыточного и неустойчивого увлажне­ния. Так как здесь наблюдается постоянное вмывание растворимых солей в более глубокие горизонты, а питаю­щая болота вода почти совершенно лишена минеральных примесей, то в этих болотах развивается растительность с малозольным скелетом; образующиеся в таких болотах торфяники также малозольны и значительно калорийны. Это преимущественно моховые (например, сфагновые) болота.

Долинные болота залегают в пределах речных долин или вдоль водоемов (озер, прудов и пр.), питаются либо за счет более или менее минерализованных вод водоемов, либо за счет выклинивающихся подземных вод, которые также обычно значительно минерализованы; развивающие­ся здесь торфяники обладают значительной зольностью.

Заболачивание иногда наблюдается в области развития песчаных пространств, хотя, казалось бы, здесь вся избы­точная часть воды могла бы свободно фильтроваться вглубь. В результате передвижения почвенных растворов из верх­ней части почвы вглубь выносятся гумусовые соединения; встречая ниже (на глубине 1—2 м) полуторные окислы железа и алюминия, они образуют с ними нерастворимые железисто-гумусовые соли. Последние отлагаются вокруг песчинок, цементируют их, образуя вначале ортзанды, которые в дальнейшем сливаются в сплошные водоупор­ные плиты — ортштейны. Ортштейны не дают возможности напитывающей пески воде проникать далее вглубь, вслед­ствие чего и происходит заболачивание. Только раздробив ортштейны, можно восстановить фильтрацию вглубь избы­точной воды и вызвать осушение местности.

Почвенная вода

Почвенными называются воды, расположенные под верхним слоем земной коры. Почвенные воды заполняют поры, трещины, пустоты грунта и протекают под действием собственной силы тяжести. Это жидкость, собравшаяся в грунте на некоторой глубине от поверхности. По природе своей, не залегая сплошным слоем, она пропитывает собою часть какого-либо горного или лесного массива. Своеобразный водоносный ярус может иметь непрерывную и очень большую площадь. 

Места залегания почвенной воды

Линия протока почвенных вод не бывает сугубо горизонтальной. Чаще повторяет рельеф поверхности земли, в общем-то, со слабой циркуляцией. Но, нередки и быстрые сплошные или жильные течения, напрямую зависящие от геологического разреза местности. Почвенные воды, залегая в непосредственной близости от поверхности, они не имеют, собственно, твердого ложа и пребывают в подвешенном виде в пустотах почвы. Свободная же вода может встречаться в связи с сезонными явлениями, в периоды высокого уровня и излишков влаги. Они, просачиваясь к водонепроницаемому слою, как-бы задерживаются и образуют толщу линзы.

Итак, самый верхний пласт, называемый почвенной, забирает в себя основную часть атмосферных осадков. Осадки не могут быстро просочиться в землю, остаются на поверхности и насыщаются органическими веществами. Они не могут очищаться от содержащихся в них химических примесей, особенно, если вблизи расположен скотный двор. Пополняя запасы после дождя, часть осадков образует толщу над водоупорным слоем со стабильным горизонтом. В отдельных регионах высота их может достигать двух метров, пополняя, расположенные вблизи, колодцы до своего естественного уровня. Выход их на склоны оврагов, естественным низинам, берегам рек, связаны с появлением родников, ключей с питьевой холодной водой, готовой для сбора и потребления.

Использование почвенных вод

Качество подземных вод считается предпочтительным, нежели поверхностные. Их, изредка, можно употреблять без очистки. А использование для целей снабжения, возможно только в маленьких населенных пунктах, из-за их ограниченности.

Необходимость в очистке почвенной воды

Известно, что поверхностные стоки подвергается фильтрации, протекая через различные слои почвы. Просачиваясь через рыхлые песчаные грунты, исходная жидкость очищается от примесей, бактерий, теряет мутность запах и приобретает прозрачность. Для очистки поверхностных стоков, обычно используются многостадийные комплексные очистители, включающие в себя фильтрацию и обработку окислителями. Озерные, речные и прочие источники содержат широкий набор загрязнителей. В данном случае, применение технологии озонирования позволит упредить появление в воде токсичных и канцерогенных веществ. Именно, озонная очистка считается единственной технологией, позволяющей рассчитывать на достойную питьевую влагу. 

В отдельных случаях в систему очистки можно привнести дополнительную ступень фильтра обратного осмоса. Это позволит уменьшить общее содержание солей и удалить отдельные примеси.

Преимущества почвенных вод

Достоинством почвенных вод является естественное сохранение полезного слоя, напрямую влияющих на плодородие земель сельского и лесного хозяйств. Они же считаются фильтром против загрязнителей и, своеобразным, буфером сохранения биоразнообразия, предусматривая круговорот воды в почве.

Недостатки почвенных вод

Почвенные воды часто являются причиной подтопления подвалов, погребов и, таким образом разрушения фундаментов. Медленно, но регулярно они разрушают не только здания, но и отдельные строения. Ситуация обязывает вести строительство дренажных систем, что во всех случаях связано с немалыми расходами.

Роль почв в круговороте воды в природе | FAO

Почвы накапливают и фильтруют воду, в результате чего повышается наша устойчивость к наводнениям и засухам

Нормально функционирующие почвы играют ключевую роль в снабжении чистой водой и в обеспечении устойчивости к наводнениям и засухам.  Благодаря своей водопроницаемости почва задерживает содержащиеся в воде загрязняющие вещества и препятствует их выщелачиванию в грунтовые воды. Кроме того, почва удерживает и сохраняет воду, обеспечивая ее доступность для сельскохозяйственных культур и, тем самым, сводит к минимуму испарение с поверхности и максимально повышает эффективность и производительность водопользования.

Здоровые почвы с высоким содержанием органического вещества способны сохранять большие объемы воды. Количество воды, которое может удерживать органическое вещество  почвы примерно в 20 раз превышает его собственный вес. Это свойство полезно не только при засухах, когда почвенная влага жизненно необходима для роста растений, но и во время сильных дождей, поскольку почвы уменьшают вред от затопления и объем поверхностного стока, замедляя сброс воды в водоток.

Вода — это «живительная кровь» агротехники во всем мире

Поэтому более рациональное использование почвенной влаги имеет решающее значение для устойчивого производства продовольствия и водоснабжения.  Уменьшение способности почвы впитывать, удерживать, высвобождать и передавать воду снижает ее продуктивность вне зависимости от того, идет ли речь о сельскохозяйственных или пастбищных культурах, деревьях или кустарниках. Огромной проблемой грядущих десятилетий будет задача по увеличению производства продовольствия при меньших затратах воды, особенно в странах, где водные и земельные ресурсы ограничены. Для того чтобы свести к минимуму влияние засух на продовольственную безопасность, почвы должны обладать способностью перехватывать воду, выпадающую в виде дождей, и накапливать ее в максимально возможном количестве, чтобы впоследствии растения могли ее использовать,  а их корни  —  проникнуть вглубь и разрастись. Из-за проблем или ограничений, касающихся одного или нескольких из этих условий, почвенная влага может стать серьезным фактором, сдерживающим рост растений.Собственно говоря, плохие урожаи чаще бывают связаны с недостатком почвенной влаги, чем с недостаточностью осадков.

Какую роль могут сыграть фермеры?

Внедряя рациональные методы агротехники, фермеры могут повлиять на структуру и содержание органического вещества почвы с целью повышения водопроницаемости почвы и ее водоудерживающей способности. Ненадлежащие и нерациональные методы землепользования  — например, такие, как чрезмерная вспашка, выбивание пастбищ и обезлесение – являются тяжелой нагрузкой на почвенные и водные ресурсы, поскольку приводят к уменьшению плодородного верхнего слоя почвы и растительного покрова и повышают зависимость от орошаемого земледелия. К рациональным агротехническим методам и практикам землепользования, способствующим повышению водоудерживающей способности почв,  можно отнести: оставление на полях пожнивных остатков, организацию покровных насаждений и мульчирование; почвозащитную обработку земли; нулевую обработку почвы; ресурсосберегающее сельское хозяйство; использование растений с глубокой корневой системой, засухоустойчивых или менее влаголюбивых культур; перехват поверхностного стока; сбор дождевой воды; основанное на знаниях прецизионное орошение.

ФАО в действии

ФАО оказывает правительствам и фермерским хозяйствам всего мира помощь в целях максимального сохранения водных ресурсов посредством использования рациональных агротехнических методов и практик и оптимизации управления водными ресурсами. Основные инициативы в этой области включают в себя Партнерство в целях обеспечения рационального водопользования в сельском хозяйстве Африки (AgWA), Региональную инициативу по борьбе с дефицитом воды на Ближнем Востоке и Проект по разработке стратегий рационального водопользования в сельском хозяйстве для Индии и стран Африки к югу от Сахары.

Африка таит гигантские запасы подземных вод

• Мэтт Макграт
• корреспондент Би-би-си по вопросам науки

20 апреля 2012

Автор фото, AFP

Подпись к фото,

По данным ООН, на каждого африканца приходится не более 40 литров чистой пресной воды в день, в то время как на каждого жителя США — 700 литров

Легендарно засушливый африканский континент обладает огромными запасами пресной воды в подземных горизонтах, утверждают британские ученые.

Под Ливией, Алжиром и Чадом накоплены грунтовые воды, которые могли бы покрыть территорию этих стран 75-метровым слоем.

Водные запасы под толщей земли в 100 раз больше, чем на поверхности, пишут исследователи в журнале Environmental Research Letters.

Они составили самую подробную на сегодняшний день карту водных ресурсов Африки с учетом скрытого потенциала подземных горизонтов.

Однако ученые призывают не торопиться с широкомасштабным бурением скважин: оно не поможет сразу решить проблемы 300 млн жителей Африки, которые по статистике не имеют доступа к чистой питьевой воде.

Спрос на воду только обострится в ближайшие десятилетия, поскольку население континента растет, и в засушливом климате необходимо орошать сельскохозяйственные земли.

Природные реки и озера Африки — ненадежный источник влаги для сельского хозяйства: они подвержены сезонным засухам и паводкам.

Только пять процентов пахотных земель на континенте имеют систему орошения.

75-метровый слой

Впервые специалистам Британского геологического общества и лондонского Университетского колледжа удалось собрать воедино информацию о водоносных горизонтах по всему континенту.

Геолог Хелен Бонсор — одна из авторов исследования — говорит, что до сих пор о запасах грунтовых вод никто «не заикался и не задумывался».

Автор фото, BBC World Service

Новая карта должна открыть глаза на скрытые в глубине возможности.

«Самые обширные запасы грунтовых вод скопились в северной Африке, в больших подземных резервуарах в глубине осадочных пород — под Ливией, Алжиром и Чадом», — рассказала Бонсор Би-би-си.

«Объемы этой воды таковы, что она могла бы покрыть территорию этих стран слоем в 75 метров толщиной, — уточняет она. — Это очень много».

Воды древности

Из-за перемены климата, за несколько веков превратившей Сахару в безжизненную пустыню, пополнение подземных водных резервуаров прекратилось.

Некоторые из них последний раз наполнялись более 5 тыс. лет назад.

Ученые собрали данные по гидрогеологическим картам, имеющимся в распоряжении правительств стран Африки, и по 283 исследованиям подземных водоносных горизонтов.

Новая детализированная карта показывает, что многие государства, ныне обозначенные как «не имеющие водных ресурсов», на самом деле располагают огромными запасами пресной воды.

Торопиться не надо

Однако исследователи призывают быть очень осторожными в том, как использовать эти запасы.

Подпись к фото,

Международные благотворительные организации предупреждают, что засуха в районе Сахель Западной Африки может вызвать полномасштабный гуманитарный кризис

Просто пробурить тысячи мощных скважин и качать оттуда воду по трубам, как нефть, в промышленных масштабах, не получится.

Руководитель исследования доктор Алан Макдональд объяснил в интервью Би-би-си, что бурить высокопроизводительные скважины нельзя без тщательного изучения условий и особенностей в конкретной местности.

«Правильно расположенные, выверенные небольшие скважины для добычи воды в малом количестве, для нужд местных крестьянских хозяйств, ручные помпы — скорее всего, это лучшее решение», — считает Макдональд.

Из-за отсутствия дождей водоносные горизонты почти не пополняются, поэтому широкомасштабная откачка пресной воды может опустошить их очень быстро, опасаются геологи.

Как говорит Хелен Бонсор, иногда медленнее — значит лучше.

Пережить засуху

«В странах южнее Сахары — наиболее бедствующих сейчас — запасы грунтовых вод ниже, однако наше исследование показало, что если вести разработки аккуратно, то подземных запасов в Африке хватит для покрытия ежедневных потребностей местного населения: для питья и орошения плантаций», — подчеркивает геолог.

Подземные резервуары могут смягчить последствия резких климатических изменений.

«Даже в скудных водоносных горизонтах в засушливых регионах, где очень мало дождей, по полученным нами данным, вода сохраняется от 20 до 70 лет», — говорит Хелен Бонсор.

«При нынешнем скромном уровне потребления — для питья и полива растений — грунтовых вод хватит, чтобы пережить засуху и другие временные бедствия».

Использование грунтовых вод поставило 200 миллионов людей перед угрозой отравления мышьяком

Ma soeur / Wikimedia Commons

От 94 до 220 миллионов человек, 85-90 процентов которых проживает в Южной Азии, подвергаются угрозе попадания мышьяка в организм из-за организации водоснабжения: они используют глубоко залегающие грунтовые воды для получения питьевой воды и полива сельскохозяйственных культур. Ученые составили мировую карту распространения мышьяка в грунтовых водах и оценили риски его потребления людьми, результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Мышьяк — крайне токсичный химический элемент, попадание которого в человеческий организм может привести к заболеваниям кожи, сердечно-сосудистой и нервной систем, а также способствовать развитию рака. Всемирная организация здравоохранения установила допустимую концентрацию мышьяка в питьевой воде на уровне не более 10 микрограммов на литр. Основной угрозой является использование грунтовых вод: мышьяк накапливается в водоносных горизонтах, где восстановительные условия способствуют его высвобождению из железосодержащих минералов.

Во многих засушливых регионах мира подземная толща — это главный источник пресной воды для питья и полива сельскохозяйственных культур, и местное население подвергается риску отравления мышьяком через рис и питьевую воду. Глобальная оценка риска отравления мышьяком из грунтовых вод до сих пор не была проведена ввиду затруднений с получением данных об использовании водных ресурсов и ведении сельского хозяйства развивающимися странами, а также недостаточно тщательного экологического мониторинга химического состава грунтовых вод в таких регионах.

Ученые под руководством Джоэла Подгорски (Joel Podgorski) и Майкла Берга (Michael Berg) из Швейцарского федерального института водных наук и технологий создали первую мировую карту распространения мышьяка в грунтовых водах (с глубиной залегания ниже 100 метров от поверхности). Для ее разработки они обобщили данные из почти 80 исследований содержания мышьяка в водоносных горизонтах, которые включали 200 тысяч анализов воды и около 55 тысяч точек опробования на территориях Буркина-Фасо, Аргентины, Мексики, Китая, Южной и Юго-Восточной Азии, США и Дельты Красной реки во Вьетнаме, а также осадочных бассейнов по всему миру.

Точки, в которых загрязнение грунтовых вод мышьяком было измерено инструментальными методами

Joel Podgorski and Michael Berg / Science, 2020

Чтобы определить ранее неизвестные области загрязнения мышьяком, авторы исследования провели математическое моделирования, используя 52 предикторные переменные: почвенные свойства (гранулометрический состав, органическое вещество, pH), геологические и климатические (количество осадков, фактическое и потенциальное суммарное испарение, а также температуру воздуха) показатели, а также топографический индекс влажности.

Карта вероятности обнаружения концентраций мышьяка в грунтовой воде выше рекомендуемого уровня (10 микрограммов на литр)

Joel Podgorski and Michael Berg / Science, 2020

Joel Podgorski and Michael Berg / Science, 2020

Однако, загрязнение глубоко залегающих грунтовых вод мышьяком еще не означает повышенные риски для здоровья людей — ведь они могут и не использовать эту воду в хозяйстве. Поэтому авторы исследования провели оценку рисков отравления людей мышьяком, используя информацию, изложенную в базе данных по продовольствию и сельскому хозяйству ООН AQUASTAT.

Площадь загрязненных мышьяком грунтовых вод и процент населения, который подвержен риску употребления такой воды

Joel Podgorski and Michael Berg / Science, 2020

Итоговая оценка риска мышьяка указала, что от 94 до 220 миллионов человек по всему миру (из которых от 85 до 90 процентов проживает в Южной Азии) подвергаются угрозе попадания мышьяка в организм из-за организации водоснабжения. Ученые также отметили, что при интенсификации сельского хозяйства в развивающихся странах и использовании грунтовых вод для орошения число таких людей продолжит расти.

От редактора

В изначальном тексте статьи была указана рекомендуемая ВОЗ концентрация мышьяка в питьевой воде 10 миллиграмм на литр. Это ошибка, реальное значение составляет 10 микрограмм на литр. Приносим свои извинения.

Важнейшим шагом навстречу продовольственной безопасности может стать модернизация ирригационных систем: недавнее исследование показало, что она способна прокормить дополнительно 800 миллионов человек

Марина Попова

Почвенные воды — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Почвенные воды

Cтраница 1

Почвенные воды наиболее широко изучаются в почвоведении.
 [1]

Почвенные воды и водные вытяжки из почв содержат водно-растворимые органические вещества, количество которых характеризует подвижность гумуса. Оба вида окисляемости определяются косвенными методами — титрованием избытка окислителя, не вошедшего в реакцию с органическими веществами.
 [2]

Почвенные воды отбирают на различных глубинах в разное время для получения достоверных характеристик водоемов.
 [3]

Почва и почвенные воды г. Харькова.
 [4]

Верховодка — подземные почвенные воды, которые накапливаются в верхних слоях почвы, неровностях и углублениях водонепроницаемой почвы и не образуют сплошного водоносного слоя. Верховодка обычно встречается на небольшой глубине и используется для устройства сельских срубовых колодцев. Вода в колодце стоит на одном уровне с водой в грунте. Верховодка легко загрязняется поверхностными стоками и непригодна для водоснабжения крупных населенных пунктов.
 [5]

В зоне аэрации распространены почвенные воды, воды, инфильтрирующиеся сквозь коллектор, парообразная вода и верховодки. Верховодки образуются, когда инфильтрующаяся вода скапливается на поверхности водоупоров, имеющих локальное распространение, например, на линзах глин или суглинков в толще песков. Поверхность ( зеркало) грунтовых вод является границей зоны аэрации и зоны насыщения.
 [6]

В то же время почвенные воды имеют существенные отличия от других вод зоны аэрации и грунтовых вод вследствие тесной связи их с органическими веществами, растениями и живыми организмами. Характерной особенностью почвенных вод является их огромная роль в повышении плодородия почв.
 [7]

Продукты загрязнения попадают в поверхностные и почвенные воды, в сельскохозяйственные культуры и организм домашних животных, что может явиться причиной заражения людей.
 [8]

На севере лесной зоны, где преобладают кислые почвенные воды, образуются в основном гидрослюды и каолинит, на юге, где воды становятся слабощелочными, преобладающим минералом становится монтмориллонит.
 [9]

По условиям залегания обычно выделяют четыре типа подвод: почвенные воды, воды верховодки, грунтовые и межпластовые воды. Рассмотрим эти типы вод подробнее.
 [10]

По условиям залегания среди свободных ( гравитационных) вод различают почвенные воды и верховодки, воды грунтовые, пластовые безнапорные, пластовые напорные, трещинно-поровые, трещинные, тре-щинно-каверновые и трещинно-жильные.
 [11]

В возникающем гальваническом элементе ( электролитом служит морская вода или почвенные воды) магний играет роль положительного полюса, ионы магния переходят в раствор. Для продления защитного действия магний по мере растворения необходимо заменять.
 [12]

Уничтожение почвы под отвалами, отравление почвенных организмов в прилеаа-щих участках; о осадками загрязняют почвенные воды.
 [13]

В процессе освоения месторождения загрязнению подвержен в первую очередь сток, формирующийся на поверхности водосбора, включая почвенные воды.
 [14]

В результате аварийного попадания на почвенные грунты, нефть, оставаясь на месте разлива, постоянно просачивается в почвенные воды, что создает угрозу загрязнения нефтепродуктами подземных водоносных горизонтов, являющихся источником водоснабжения населенных пунктов Нижневартовского района.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

В ТПУ изучают, как избыток азотных удобрений влияет на почву и грунтовые воды

В рамках исследования Евгения Солдатова планирует изучить влияние химических и микробиологических процессов на преобразование азота, начиная от поверхности до грунтовых вод, выявить источники поступления соединений азота в грунтовые воды, а также оценить возможные риски для населения. О том, что планируется сделать в ходе научных работ, ученый ТПУ рассказала корреспонденту газеты «За кадры».

Экологически чистое сельское хозяйство

Органические и неорганические азотные удобрения являются одними из наиболее широко используемых как промышленными агрохолдингами, так и частными хозяйствами. Зачастую такие удобрения применяются в избыточных количествах — растения просто не успевают усваивать весь азот, что приводит к его миграции через зону аэрации в подземные воды. При этом нарушение баланса химических элементов в различных средах и оболочках Земли ведет к нарастанию экологической напряженности. Особенно актуальна эта проблема, рассказывает Евгения Солдатова, в аграрных регионах, где широко развито сельское хозяйство. Основной риск для населения в данном случае связан с загрязнением грунтовых вод, которые часто используются в сельской местности для питьевых и бытовых нужд.

— Мой проект направлен на изучение механизмов миграции и трансформации соединений азота в системе «почва — подземные воды» на примере агроландшафтов района озера Поянху в китайской провинции Цзянси и агроландшафтов Томской области. С Китаем мы работаем достаточно давно. В провинции Цзянси, начиная с 2011 года, мы с коллегами из Восточно-китайского технологического университета и Китайского геологического университета проводили полевые работы по совместному изучению грунтовых и минеральных вод провинции. Изучение цикла азота для них является актуальной проблемой, так как провинция Цзянси — это аграрный регион с хорошо развитым сельским хозяйством, там выращивают рис, рапс, хлопок и другие культуры, занимаются животноводством и так далее. При этом с соединениями азота там наблюдаются явные проблемы. Например, самая большая концентрация нитратов, зафиксированная нами в грунтовых водах в тех местах, где мы брали пробы, — составляет порядка 200 мг/л, тогда как норма Всемирной организации здравоохранения для питьевых вод — 50 мг/л, — говорит ученый-политехник.

Евгения Солдатова добавляет, что на данный момент химический состав грунтовых вод уже достаточно хорошо изучен. Сейчас политехники планируют провести полевые работы и отобрать пробы комплексно — грунтовые воды вместе с почвой и породами зоны аэрации. Причем отбор проб как в начальный, так и в завершающий этап роста растений, чтобы отследить динамику процессов, происходящих с азотом в различные периоды существования агроценозов (искусственных экосистем, созданных человеком — ред.), выяснить, как на эти процессы влияет внесение удобрений, изучить формирование нетипичных условий геохимической среды. Полученные результаты будут способствовать оптимизации сельскохозяйственной деятельности.

Проблема в комплексе

Элементы геохимического цикла азота активно изучаются учеными из разных областей науки. Опубликовано довольно большое количество работ, посвященных обогащению соединениями азота подземных вод и почв, их преобразованию под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, идентификации источников азотного загрязнения, накоплен большой объем информации об изотопном составе соединений азота в различных веществах. При этом, несмотря на большое разнообразие исследований, они главным образом посвящены изучению поведения соединений азота в отдельных средах и субстратах (растениях, почвах, подземных и поверхностных водах — ред. ).

— В то же время очевидной является необходимость рассмотрения системы «почва — подземные воды» как единого целого, так как формирование химического состава подземных вод, в частности их обогащение соединениями азота, начинается еще в почвенном горизонте. То есть внесение удобрений в почву и хранение отходов животноводства на поверхности земли может негативно влиять на состав подземных вод, особенно грунтовых. При этом грунтовые воды часто являются основным источником питьевой воды в сельскохозяйственных районах. Кроме того, в сельской местности не везде есть централизованная система канализации, а значит, бытовые стоки также могут попадать в подземные воды, обогащая их соединениями азота. В рамках нашего исследования отдельное внимание также будет уделено выявлению источников поступления соединений азота в подземные воды, — рассказывает Евгения Солдатова. Отметим, что для определения источников азота политехники планируют использовать изотопный анализ нитратов.

— Изотопный анализ нитратов ([delta]15N и [delta]18О) для выявления источников загрязнения подземных вод активно используют наши зарубежные коллеги. Для России этот метод достаточно нов, возможно, из-за того, что проблема нитратного загрязнения подземных вод для нашей страны не так актуальна, как, например, для Китая. Анализ будет проводиться в Гентском университете, в Бельгии. Мы уже сотрудничали с ними: я ездила изучать поставленную у них методику изотопного анализа нитратов и помогала проводить анализ, — поясняет Евгения Солдатова.

Ученый подчеркивает, что способ, который планируется использовать для выявления источников соединений азота, позволит также проследить некоторые процессы трансформации соединений азота, связанные, к примеру, с нитрификацией и денитрификацией.

В чем опасность?

Нитрат-ион характеризуется повышенной токсичностью для живых организмов и негативно воздействует на состояние здоровья человека. Нитраты, в свою очередь, способны преобразовываться в нитриты под действием фермента нитратредуктазы, а те, вступая в реакцию с гемоглобином крови, приводят к окислительным реакциям в организме. В итоге образуется метгемоглобин — форма гемоглобина, неспособная переносить кислород, что приводит к кислородному голоданию.

Также нитраты вызывают развитие вредной микрофлоры кишечника, что способствует попаданию токсинов в организм человека и интоксикации. Кроме того, нитраты могут негативно воздействовать на активность обменных процессов в организме и угнетать иммунную систему, понижая устойчивость организма к отрицательному воздействию факторов окружающей среды, вызывая, к примеру, частые простудные заболевания.

— Мое исследование поможет не только проанализировать процессы, происходящие с азотом в системе «почва — грунтовые воды», но и выявить конкретные источники поступления соединений азота в подземные воды. Кроме того, в проекте будет оценен риск развития неканцерогенных эффектов у населения исследуемых территорий при потреблении воды с повышенной концентрацией соединений азота и суммарный риск для здоровья людей с учетом собранной информации о химическом составе грунтовых вод. При его расчете будут приняты во внимание все потенциально опасные элементы, обнаруженные в изучаемых водах. По результатам оценки будет проведено картирование рисков с использованием ГИС-технологий, — подытоживает ученый.

Как уже говорилось ранее, пробы будут браться не только в китайской провинции Цзянси, но и в пределах агроландшафтов Томской области, с целью выявить, как на цикл азота влияют различные ландшафтно-климатические условия и интенсивность сельскохозяйственной деятельности. В Томской области пробоотбор планируется провести в районе тепличных комплексов, сельскохозяйственных полей или крупных садово-огородных товариществ. Конкретные участки пока не определены.

Управление почвами

ГЛАВА 2 — ПОЧВА И ВОДА

ГЛАВА 2 — ПОЧВА И ВОДА

2.1 Почва
2.2 Поступление воды
в почву
2.3 Состояние влажности почвы
2.4 Доступная влажность
2,5 Уровень подземных вод
2,6 Водная эрозия почвы

2.1.1 Состав почвы
2.1.2 Профиль почвы
2.1.3 Текстура почвы
2.1.4 Структура почвы

2.1.1 Состав почвы

Когда сухая почва раздавливается рукой, можно увидеть, что она состоит из всевозможных частиц разного размера.

Большинство этих частиц возникает в результате разложения горных пород; их называют минеральными частицами.Некоторые происходят из остатков растений или животных (гниющие листья, кусочки костей и т. Д.), Их называют органическими частицами (или органическими веществами). Кажется, что частицы почвы касаются друг друга, но на самом деле между ними есть промежутки. Эти пространства называются порами. Когда почва «сухая», поры в основном заполнены воздухом. После полива или дождя поры в основном заполняются водой. Живой материал находится в почве. Это могут быть живые корни, а также жуки, черви, личинки и т. Д. Они способствуют аэрации почвы и тем самым создают благоприятные условия для роста корней растений (рис.26).

Рис. 26. Состав почвы

2.1.2 Профиль почвы

Если вырыть в земле яму глубиной не менее 1 м, можно увидеть различные слои, разные по цвету и составу. Эти слои называются горизонтами. Эта последовательность горизонтов называется профилем почвы (рис. 27).

Рис. 27. Профиль почвы

Очень общий и упрощенный профиль почвы можно описать следующим образом:

а. Пахотный слой (толщина от 20 до 30 см): богат органическими веществами и содержит много живых корней. Этот слой подлежит подготовке почвы (например, вспашка, боронование и т. Д.) И часто имеет темный цвет (от коричневого до черного).

г. Глубокий пахотный слой: содержит намного меньше органических веществ и живых корней. Этот слой практически не подвержен нормальным подготовительным работам. Цвет более светлый, часто серый, иногда пестрый с желтоватыми или красноватыми пятнами.

г. Подземный слой: почти нет органических веществ или живых корней.Этот слой не очень важен для роста растений, так как до него доходят лишь несколько корней.

г. Слой материнской породы: состоит из породы, в результате разложения которой образовалась почва. Эту породу иногда называют материнским материалом.

Глубина различных слоев сильно различается: некоторые слои могут вообще отсутствовать.

2.1.3 Текстура почвы

Минеральные частицы почвы сильно различаются по размеру и могут быть классифицированы следующим образом:

Количество песка, ила и глины, присутствующих в почве, определяет структуру почвы.

На крупнозернистых почвах: преобладает песок (песчаные почвы).
В почвах средней текстуры: преобладает ил (суглинистые почвы).
В мелкозернистых почвах: преобладает глина (глинистые почвы).

В поле текстуру почвы можно определить, потерев почву между пальцами (см. Рис. 28).

Фермеры часто говорят о легких и тяжелых почвах. Грунт с крупной структурой легок, потому что с ней легко работать, а с мелкозернистой почвой тяжелее, потому что с ней тяжело работать.

Текстура почвы постоянная, фермер не может ее модифицировать или изменять.

Рис. 28а. Грунт крупнозернистый. — песчаный. Отдельные частички рыхлые и разваливаются в руке даже во влажном состоянии.

Рис. 28б. Грунт средней текстуры в сухом состоянии кажется очень мягким (как мука). Когда он влажный, его можно легко нажать, и тогда он станет шелковистым.

Рис. 28c. Грунт с мелкой текстурой прилипает к пальцам во влажном состоянии и может образовывать шарик при нажатии.

2.1.4 Структура почвы

Структура почвы означает группировку частиц почвы (песок, ил, глина, органические вещества и удобрения) в пористые соединения. Это так называемые агрегаты. Структура почвы также относится к расположению этих агрегатов, разделенных порами и трещинами (рис. 29).

Основные типы агрегатов показаны на рис. 30: гранулированная, блочная, призматическая и массивная структура.

Рис. 29. Структура почвы

Находясь в верхнем слое почвы, массивная структура блокирует вход воды; прорастание семян затруднено из-за плохой аэрации. С другой стороны, если верхний слой почвы зернистый, вода легко проникает внутрь, и семена лучше прорастают.

В призматической конструкции движение воды в почве преимущественно вертикальное, поэтому подача воды к корням растений обычно недостаточна.

В отличие от текстуры, структура почвы непостоянна. С помощью методов обработки почвы (вспашка, рыхление и т. Д.) Фермер пытается получить зернистую структуру верхнего слоя почвы на своих полях.

Фиг.30. Примеры грунтовых сооружений

2. 2.1 Проникновение
процесс
2.2.2 Скорость инфильтрации
2.2.3 Факторы
влияет на скорость инфильтрации

2.2.1 Процесс проникновения

Когда на поле подается дождевая или поливная вода, она просачивается в почву. Этот процесс называется инфильтрацией.

Проникновение можно визуализировать, налив воды в слегка утрамбованный стакан с сухой измельченной почвой. Вода просачивается в почву; цвет почвы темнеет по мере ее увлажнения (см.рис.31).

Рис. 31. Инфильтрация воды в почву

2.2.2 Скорость инфильтрации

Повторите предыдущий тест, на этот раз с двумя стаканами. Один заполнен сухим песком, а другой — сухой глиной (см. Рис. 32а и б).

Вода проникает в песок быстрее, чем в глину. Говорят, что песок имеет более высокую скорость инфильтрации.

Рис. 32а. В каждый стакан подается одинаковое количество воды

Рис. 32b. Через час вода просочилась в песок, в то время как некоторое количество воды все еще оставалось на глине

Скорость инфильтрации почвы — это скорость, с которой вода может просачиваться в нее. Обычно измеряется глубиной (в мм) слоя воды, которую почва может поглотить за час.

Скорость инфильтрации 15 мм / час означает, что для просачивания слоя воды толщиной 15 мм на поверхности почвы потребуется один час (см. Рис. 33).

Фиг.33. Почва со скоростью инфильтрации 15 мм / час

Диапазон значений скорости инфильтрации приведен ниже:

2.

2.3 Факторы, влияющие на скорость инфильтрации

Скорость инфильтрации почвы зависит от постоянных факторов, таких как текстура почвы. Это также зависит от различных факторов, например от влажности почвы.

и. Текстура почвы

Грунты с крупнозернистой структурой состоят в основном из крупных частиц, между которыми имеются большие поры.

С другой стороны, мелкозернистые почвы в основном состоят из мелких частиц, между которыми имеются мелкие поры (см.рис.34).

Рис. 34. Скорость инфильтрации и текстура почвы

В грубых почвах дождевая или поливная вода попадает и перемещается в более крупные поры; для проникновения воды в почву требуется меньше времени. Другими словами, скорость инфильтрации выше для крупнозернистых почв, чем для мелкозернистых почв.

ii. Влажность почвы

Вода проникает быстрее (скорость инфильтрации выше), когда почва сухая, чем когда она влажная (см. Рис.35). Как следствие, когда поливная вода подается на поле, вода сначала легко проникает, но по мере того, как почва становится влажной, скорость инфильтрации снижается.

Рис. 35. Интенсивность инфильтрации и влажность почвы

iii. Структура грунта

Вообще говоря, вода проникает быстро (высокая скорость инфильтрации) в зернистые почвы, но очень медленно (низкая скорость инфильтрации) в массивные и плотные почвы.

Поскольку фермер может влиять на структуру почвы (посредством культурных практик), он также может изменять скорость инфильтрации своей почвы.

2.3.1 Влажность почвы
2.3.2 Насыщенность
2.3.3 Полевая продуктивность
2.3.4 Постоянная точка увядания

2.3.1 Влажность почвы

Содержание влаги в почве указывает количество воды, присутствующей в почве.

Обычно выражается как количество воды (в мм водной глубины), присутствующее на глубине одного метра почвы. Например: когда количество воды (в мм водной глубины) составляет 150 мм на глубине одного метра почвы, влажность почвы составляет 150 мм / м (см. Рис. 36).

Рис. 36. Влажность почвы 150 мм / м

Влажность почвы также может быть выражена в процентах от объема. В приведенном выше примере 1 м ³ грунта (например, с глубиной 1 м и площадью поверхности 1 м ² ) содержит 0,150 м ³ воды (например.грамм. глубиной 150 мм = 0,150 м и площадью поверхности 1 м ( ² ). В результате содержание влаги в почве в объемных процентах составляет:

Таким образом, влажность 100 мм / м соответствует 10 объемным процентам.

Примечание: Количество воды, хранящейся в почве, не является постоянным во времени, но может меняться.

2.3.2 Насыщенность

Во время дождя или полива поры почвы заполняются водой.Если все поры почвы заполнены водой, почва считается насыщенной. В почве не осталось воздуха (см. Рис. 37а). В поле легко определить, насыщена ли почва. Если выжать горсть насыщенной почвы, между пальцами потечет немного (мутной) воды.

Растения нуждаются в воздухе и воде в почве. При насыщении воздуха не будет и растение пострадает. Многие культуры не выдерживают насыщенных почвенных условий в течение более 2-5 дней. Рис — одно из исключений из этого правила.Период насыщения верхнего слоя почвы обычно длится недолго. После прекращения дождя или орошения часть воды, присутствующей в более крупных порах, уйдет вниз. Этот процесс называется дренированием или перколяцией.

Вода, стекающая из пор, заменяется воздухом. На крупнозернистых (песчаных) почвах дренаж завершается в течение нескольких часов. В мелкозернистых (глинистых) почвах дренаж может занять несколько (2-3) дней.

2.3.3 Вместимость поля

После прекращения дренажа большие поры почвы заполняются воздухом и водой, в то время как меньшие поры все еще полны водой. На этом этапе считается, что почва полностью заполнена. При урожайности поля содержание воды и воздуха в почве считается идеальным для роста сельскохозяйственных культур (см. Рис. 37b).

2.3.4 Постоянная точка увядания

Постепенно вода, накопленная в почве, поглощается корнями растений или испаряется с верхнего слоя почвы в атмосферу. Если в почву не подается дополнительная вода, она постепенно высыхает.

Чем суше становится почва, тем плотнее удерживается оставшаяся вода и тем труднее корням растений извлекать ее.На определенном этапе потребления воды недостаточно для удовлетворения потребностей растения. Растение теряет свежесть и увядает; листья меняют цвет с зеленого на желтый. В конце концов растение умирает.

Содержание влаги в почве на стадии отмирания растения называется точкой постоянного увядания. Почва все еще содержит немного воды, но корням слишком трудно высосать ее из почвы (см. Рис. 37c).

Рис. 37. Некоторые характеристики влажности почвы

Почву можно сравнить с резервуаром для воды для растений. Когда почва
насыщен, резервуар полон. Однако часть воды быстро стекает ниже
корневую зону до того, как растение сможет ее использовать (см. рис. 38a).

Рис. 38а. Насыщенность

Когда эта вода стечет, почва будет полностью заполнена.
Корни растений вытягивают воду из того, что остается в резервуаре (см. Рис. 38b).

Рис. 38b. Вместимость поля

Когда почва достигает точки постоянного увядания, оставшейся воды больше нет.
доступны для завода (см. рис.38c).

Рис. 38c. Постоянная точка увядания

Количество воды, фактически доступной растению, — это количество воды, хранящейся в почве при заполнении поля, за вычетом воды, которая останется в почве при постоянной точке увядания. Это показано на рис. 39.

Рис. 39. Доступная влажность или влажность почвы

Доступное содержание воды во многом зависит от текстуры и структуры почвы. Диапазон значений для различных типов почв приведен в следующей таблице.

Емкость поля, постоянная точка увядания (PWP) и доступная влажность называются характеристиками влажности почвы. Они постоянны для данной почвы, но сильно различаются от одного типа почвы к другому.

2.5.1 Глубина
Уровень подземных вод
2.5.2 Подземные воды
таблица
2.5.3 Капиллярный подъем

Часть воды, нанесенной на поверхность почвы, стекает ниже корневой зоны и питает более глубокие слои почвы, которые постоянно насыщаются; верхняя часть насыщенного слоя называется уровнем грунтовых вод или иногда просто уровнем грунтовых вод (см.рис.40).

Рис. 40. Уровень грунтовых вод

2.5.1 Глубина уровня грунтовых вод

Глубина залегания грунтовых вод сильно варьируется от места к месту, в основном из-за изменений топографии местности (см. Рис. 41).

Рис. 41. Изменение глубины уровня грунтовых вод

В одном конкретном месте или поле глубина уровня грунтовых вод может изменяться во времени.

После сильных дождей или орошения уровень грунтовых вод повышается.Он может даже проникнуть в корневую зону и пропитать ее. В случае продолжительного действия такая ситуация может иметь катастрофические последствия для сельскохозяйственных культур, которые не могут противостоять «мокрым ногам» в течение длительного периода. Если уровень грунтовых вод выходит на поверхность, он называется открытым уровнем грунтовых вод. Так обстоит дело в болотистой местности.

Уровень грунтовых вод может быть очень глубоким и удаленным от корневой зоны, например, после продолжительного засушливого периода. Чтобы корневище оставалось влажным, необходимо орошение.

2.5.2 Верхний уровень подземных вод

Слой грунтовых вод может быть найден поверх водонепроницаемого слоя довольно близко к поверхности (от 20 до 100 см).Обычно он охватывает ограниченную территорию. Верхняя часть водного слоя называется возвышающимся уровнем грунтовых вод.

Непроницаемый слой отделяет залегающий слой грунтовых вод от более глубоко расположенного горизонта грунтовых вод (см. Рис. 42).

Рис. 42. Верхний уровень грунтовых вод

Почву с непроницаемым слоем не намного ниже корневой зоны следует орошать с осторожностью, потому что в случае чрезмерного орошения (слишком большого орошения) верхний уровень грунтовых вод может быстро поднимаются.

2.5.3 Капиллярный подъем

До сих пор было объяснено, что вода может двигаться как вниз, так и горизонтально (или вбок). Кроме того, вода может двигаться вверх.

Если кусок ткани погрузить в воду (рис. 43), вода будет всасываться тканью вверх.

Рис. 43. Движение воды вверх или капиллярный подъем

Тот же процесс происходит с уровнем грунтовых вод и почвой над ним. Подземные воды могут всасываться почвой вверх через очень маленькие поры, которые называются капиллярами.Этот процесс называется капиллярным подъемом.

В мелкозернистой почве (глина) вода поднимается вверх медленно, но преодолевает большие расстояния. С другой стороны, в крупнозернистой почве (песке) вода поднимается вверх быстро, но покрывает лишь небольшое расстояние.

2.6.1 Листовая эрозия
2.6.2 Оврагная эрозия

Эрозия — это перенос почвы из одного места в другое. Климатические факторы, такие как ветер и дождь, могут вызвать эрозию, но также и при орошении.

За короткий период процесс эрозии практически незаметен. Однако он может быть непрерывным, и весь плодородный верхний слой поля может исчезнуть в течение нескольких лет.

Водная эрозия почвы зависит от:

— склон: крутые, пологие поля более подвержены эрозии;
— структура почвы: легкие почвы более чувствительны к эрозии;
— объем или скорость потока поверхностных стоков: большие или быстрые потоки вызывают большую эрозию.

Эрозия обычно наиболее сильна в начале полива, особенно при поливе на склонах. Сухая поверхностная почва, иногда разрыхленная при культивации, легко удаляется проточной водой. После первого полива почва становится влажной и оседает, поэтому эрозия уменьшается. Недавно орошаемые участки более чувствительны к эрозии, особенно на ранних стадиях.

Существует два основных типа эрозии, вызываемой водой: пластовая эрозия и овражная эрозия. Их часто комбинируют.

2.6.1 Листовая эрозия

Листовая эрозия — это равномерное удаление очень тонкого слоя или «листа» верхнего слоя почвы с наклонной земли. Это происходит на больших площадях земли и вызывает большую часть потерь почвы (см. Рис. 44).

Рис. 44. Листовая эрозия

Признаками листовой эрозии являются:

— только тонкий слой верхнего слоя почвы; или недра частично обнажены; иногда обнажается даже материнская порода;

— достаточно большое количество крупного песка, гравия и гальки в пахотном слое, более мелкий материал удален;

— обнажение корней;

— отложение эродированного материала у подножия склона.

2.6.2 Эрозия оврага

Эрозия оврагов определяется как удаление почвы концентрированным водным потоком, достаточно большим для образования каналов или оврагов.

Эти овраги несут воду во время сильного дождя или орошения и постепенно становятся шире и глубже (см. Рис. 45).

Рис. 45. Эрозия оврага

Признаками овражного размыва на орошаемом поле являются:

— неравномерные изменения формы и длины борозд;
— скопление эродированного материала на дне борозд;
— обнажение корней растений.

Динамика почвенных вод | Изучайте науку в Scitable

Брэди, Н.
C. & Weil, R. R. Природа и
Свойства почв , 12 изд. Верхний
Сэдл-Ривер, штат Нью-Джерси:
Прентис Холл, 1999.

Чайлдс,
E. C. Использование характеристик влажности почвы в исследованиях почв. Почвоведение 50 , 239-252 (1940).

Чайлдс,
Э. К. и Коллис-Джордж Н. Проницаемость пористых материалов. Труды Королевского общества, серия A
201 , 392-405 (1950).

Фрич,
Э. и Фитцпатрик, Р. В. Интерпретация свойств почвы, созданных древними
и современные процессы в деградированных ландшафтах. I. Новый метод построения
концептуальные модели почва-вода-ландшафт. австралийский
Журнал почвенных исследований 32 , 889-907
(1994).

Гилель,
Д. Введение в физику почв . Сан-Диего, Калифорния:
Академическая пресса, 1982.

Джейкобс,
П. М., Вест, Л. Т. и Шоу, Дж. Редоксиморфные признаки как индикаторы
сезонная насыщенность, округ Лаундс, штат Джорджия. Американское общество почвоведов
Журнал 66 , 315-323 (2002).

Дженни, Х.
Факторы почвообразования . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Dover Publications, 1994.

Макколи,
A., Jones, C. & Jacobsen, J. Почвы и
Модуль 1 управления водными ресурсами: Основные свойства почвы . Бозман,
MT: Монтана
Государственный университет
Консультационная служба, 2005 г.

О’Джин,
A. T. и др. . Палеопочвы столь же глубокие
реголит: последствия для перезарядки в климатопоследовательности Палаза. Geoderma 126 , 85-99 (2005).

O’Geen, A. T. et al. Исследовать
связывает гидрологию почвы и химию речных вод в дубовых лесах Калифорнии. Сельское хозяйство Калифорнии 64 , 78-84 (2010).

Ричардс,
Л. А. Капиллярная проводимость жидкостей через пористые среды. Физика 1 , 318-333 (1931).

Почва
Научное общество Америки. Глоссарий терминов почвоведения, 1996 г., Мэдисон, Висконсин, 1997 г.,

Почва
Исследовательский персонал. Базовая таксономия почв
Система классификации почв для проведения и интерпретации почвенных изысканий .
Справочник по сельскому хозяйству № 436. США.
Правительственная типография Вашингтон,
DC, 1999.

Сваровски,
A., и др., . Водосборные почвенные воды
динамика в дубовых лесах средиземноморского типа. Vadose Zone Journal, 10 , 800-815
(2011).

Вепраскас,
M. J. & Sprecher, S. W. «Обзор водных условий и гидратных почв».
в водных условиях и гидрогенных почвах:
Проблемные почвы , ред. M. J. Vepraskas & S. W. Sprecher, Специальная публикация SSSA
№ 50 (Мэдисон, Висконсин: SSSA и ASA, 1997) стр. 1-22.

Фогель, Х.
J. Численный эксперимент по размеру пор, связанности пор, удержанию воды,
проницаемость и перенос растворенных веществ с использованием сетевых моделей. Европейский журнал почвоведения 51 , 99-105 (2000).

Вестерн,
А. У., Грейсон, Р. Б. и Грин Т. Р. Проект Тарраварра: высокое разрешение
пространственное измерение, моделирование и анализ влажности почвы и гидрологических
отклик. Гидрологические процессы 13 , 633-652 (1999).

Почвенная вода | Почвы — Часть 2: Физические свойства почвы и грунтовых вод

Инфильтрация и проницаемость описывают способ проникновения воды в почву и через нее. Вода, содержащаяся в почве, описывается термином влагосодержание .Содержание воды можно определить как гравиметрическим (г воды / г почвы), так и объемным (мл воды / мл почвы). Чаще всего используется объемное выражение содержания воды. Поскольку 1 грамм воды равен 1 миллилитру воды, мы можем легко определить вес воды и сразу узнать ее объем. Следующее обсуждение будет рассматривать содержание воды на объемной основе.

Насыщенность — влажность почвы, когда все поры заполнены водой.Содержание воды в почве при насыщении равно процентной пористости. Вместимость поля — это содержание влаги в почве после того, как почва была насыщена и позволила свободно стекать в течение примерно 24-48 часов. Свободный дренаж происходит из-за силы тяжести, притягивающей воду. Когда вода перестает стекать, мы знаем, что оставшаяся вода удерживается в почве с силой, большей, чем сила тяжести. Точка постоянного увядания — это содержание влаги в почве, когда растения извлекли всю воду, которую могли.В точке постоянного увядания растение увянет и не восстановится. Недоступная вода — это вода, содержащаяся в почве, которая прочно связана с частицами и агрегатами почвы и не может быть извлечена растениями. Эта вода удерживается в виде пленок, покрывающих частицы почвы. Эти термины иллюстрируют состояние почвы от самого влажного до самого сухого.

Несколько терминов используются для описания воды, удерживаемой между этими разными содержаниями воды. Гравитационная вода означает количество воды, удерживаемой почвой между насыщением и полевой емкостью. Водоудерживающая способность означает количество воды, удерживаемой в почве против силы тяжести, или общий объем воды в почве при заполнении поля. Доступная вода для растений или доступная водоемкость — это та часть водоудерживающей способности, которая может быть поглощена растением, и представляет собой количество воды, удерживаемой между емкостью поля и точкой увядания.

Измеренное объемное содержание воды — это общее количество воды, удерживаемое в данном объеме почвы в данный момент времени.Он включает всю воду, которая может присутствовать, включая гравитационную, доступную и недоступную воду.

Связь между этими различными физическими состояниями воды в почве можно легко проиллюстрировать с помощью губки. Губка похожа на почву, потому что у нее твердое и пористое пространство. Возьмите губку размером примерно 6 x 3 x 1/2 дюйма. Поместите его в кастрюлю с водой и дайте ему впитать как можно больше воды. На данный момент губка насыщена. Теперь осторожно поддержите губку обеими руками и вытащите ее из воды.Когда губка перестает стекать, она работает на полную мощность, а свободно вытекшая вода является гравитационной водой. Теперь сжимайте губку, пока не перестанет выходить вода. Губка теперь находится в постоянной точке увядания, и вода, которая была выжата из губки, является ее водоудерживающей способностью. Примерно половину этой воды можно считать доступной для растений. Вы можете заметить, что в губке все еще чувствуется вода. Это недоступная вода.

Вода в виде атмосферных осадков или ирригации проникает на поверхность почвы.Все поры на поверхности почвы заполняются водой, прежде чем вода сможет начать движение вниз. Во время инфильтрации вода движется вниз из насыщенной зоны в ненасыщенную. Граница между этими двумя зонами называется фронт смачивания . Когда осадки или орошение прекратятся, гравитационная вода будет продолжать просачиваться до тех пор, пока не будет достигнута емкость поля. Вода сначала просачивается через большие поры между частицами почвы и агрегатами, а затем в более мелкие поры.

Доступная вода удерживается в порах почвы силами, которые зависят от размера поры и поверхностного натяжения воды. Чем ближе друг к другу частицы или агрегаты почвы, тем меньше поры и тем сильнее сила, удерживающая воду в почве. Поскольку вода в больших порах удерживается с небольшой силой, она легче всего стекает. Точно так же растения сначала поглощают почвенную воду из более крупных пор, потому что для извлечения воды из крупных пор требуется меньше энергии, чем из мелких.

Использование оценок почвенной воды на основе процентного объема не допускает какой-либо практической интерпретации.Следовательно, воду обычно переводят из процентного объема в глубину в дюймах водяного столба / фут почвы (, таблица 2.5, ).

Характеристики почвы, воды и растений, важные для орошения — Публикации

Орошение — это применение воды для обеспечения достаточной влажности почвы для хорошего роста растений в течение всего вегетационного периода. Орошение, практикуемое в Северной Дакоте, называется «дополнительным орошением», потому что оно увеличивает количество осадков, выпадающих до и во время вегетационного периода.

Орошение часто используется для выращивания сельскохозяйственных культур в течение всего сезона или для выращивания ценных специальных культур, чтобы обеспечить надежный урожай каждый год. Он также используется на таких культурах, как картофель, цветы, овощи и фрукты, где водный стресс влияет на качество урожая.

В большинстве лет в некоторых местах штата выпадает достаточно осадков для хорошего роста растений. Но во многие из этих лет в других районах штата наблюдается снижение урожайности и / или снижение качества неорошаемых культур из-за водного стресса из-за недостаточной влажности почвы.

Для целей планирования орошения среднее количество осадков за вегетационный период не является хорошим критерием для определения потребности в орошении. Время и количество осадков в течение сезона, способность почвы удерживать воду и потребности сельскохозяйственных культур в воде — все это факторы, которые влияют на потребность в орошении. В любом месте штата могут быть недели, месяцы и даже годы, которые можно считать «влажными или сухими».

При орошении очень важна совместимость почвы и воды.Если они несовместимы, поливная вода может отрицательно повлиять на химические и физические свойства почвы. Определение пригодности земли для орошения требует тщательной оценки свойств почвы, топографии земли в поле и качества воды, которая будет использоваться для орошения. Базовое понимание взаимодействия почвы / воды / растений поможет ирригаторам эффективно управлять своими культурами, системами орошения почвы и водоснабжением.

Свойства почвы

Обследование почвы округа содержит подробную информацию о почвах для любого участка земли в Северной Дакоте.Обследование почвы в каждом округе Северной Дакоты было завершено Службой охраны природных ресурсов (NRCS). Официальная и самая последняя информация о почвенных исследованиях доступна на веб-сайте NRCS Websoil Survey.

Опубликованные копии можно найти в местных офисах NRCS и NDSU Extension, но у них может не быть последней информации о почвенном исследовании. База данных исследования почвы предоставляет информацию о важных свойствах почвы, таких как текстура, структура, глубина, проницаемость и химический состав, которые важны для управления орошением.

Текстура почвы

Текстура почвы определяется размером и типом твердых частиц, из которых состоит почва. Частицы почвы могут быть минеральными или органическими. Большинство орошаемых земель в Северной Дакоте — минеральные.

Для минеральных почв классификация текстуры основана на относительной пропорции частиц размером менее 2 миллиметров (мм) или 5/64 дюйма. Как показано на рис. , рис. 1 , самые большие частицы — это песок, самые маленькие — глина, а между ними и ил.Текстура почвы основана на процентном содержании песка, ила и глины (Рисунок 2) .

Рис. 1. Классификация по размеру первичных почвенных частиц, которые определяют текстурную группу на основе системы классификации почв Министерства сельского хозяйства США. Под ПЕСКОМ В.Ф. относится к очень хорошему и В. до очень грубого.

Рис. 2. Текстурный треугольник почвы Министерства сельского хозяйства США (USDA). Процент (по весу) фракции песка, ила и глины определяет структуру почвы.Пунктирной линией обозначена суглинистая почва, содержащая 45 процентов песка, 35 процентов ила и 20 процентов глины.

Классы текстуры почвы могут быть изменены, если более 15 процентов частиц являются органическими (например, илистый илистый суглинок). Частицы почвы размером более 2 мм не используются для определения текстуры почвы. Однако, когда они составляют более 15 процентов объема почвы, текстурный класс изменяется (например, гравийный песок).

Разделение и взвешивание количества песка, ила и глины в образце определяет текстуру минеральной почвы.Например, если 100-фунтовый образец почвы был просеян через фильтры и обнаружил, что он содержит 45 фунтов песка, 35 фунтов ила и 20 фунтов глины, то почва будет состоять из 45 процентов песка, 35 процентов ила и 20 фунтов. процентов глины. Как показано пунктирными линиями на рис. 2 , эта почва имеет структуру суглинка.

Двенадцать основных текстур почвы показаны на Рис. 2 . Песок, супеси и супеси являются наиболее распространенными структурами почвы, орошаемой в Северной Дакоте.

Структура почвы

Под структурой почвы понимается объединение частиц песка, ила и глины в более крупные агрегаты различных размеров и форм.Процессы проникновения корней, циклов увлажнения и сушки, замораживания и оттаивания и активности животных в сочетании с неорганическими и органическими вяжущими веществами создают структуру почвы (Рисунок 3) . Структурные агрегаты, устойчивые к физическим нагрузкам, важны для поддержания рыхлости почвы и ее продуктивности. Чрезмерная обработка или обработка влажных почв разрушает агрегаты и ускоряет потерю органического вещества, что приводит к снижению агрегативной устойчивости.

Рисунок 3.Примеры наиболее распространенных почвенных конструкций. Также показано влияние конструкций на нисходящее движение (инфильтрацию) воды. (Любезно предоставлено NRCS, раздел 15 Национального инженерного справочника)

На движение воздуха, воды и корней растений через почву влияет ее структура. Стабильные агрегаты образуют сеть почвенных пор, которые обеспечивают быстрый обмен воздуха и воды с корнями растений. Рост растений зависит от быстрых обменных курсов.

Практика применения эффективных методов обработки почвы, таких как использование покровных культур, уменьшенная обработка почвы, севооборот, добавление органических веществ и своевременная обработка почвы, могут поддерживать хорошую структуру почвы.В песчаных почвах часто трудно поддерживать агрегативную стабильность из-за низкого содержания органических веществ, содержания глины и устойчивости песчаных частиц к процессам агрегации.

Грунт серии

Почва — это слой поверхности Земли, который был изменен физическими или биологическими процессами. Пять почвообразующих факторов, контролирующих процесс изменений, — это исходный материал, климат, топография, биота (растения и животные) и время.

Почвы сгруппированы по категориям в зависимости от наблюдаемых свойств.Система классификации Министерства сельского хозяйства США состоит из шести категорий. Высшая категория (порядок почв) включает 11 основных групп почв, каждая из которых обладает очень широким спектром свойств. Самая низкая категория (ряды почв) включает более 12 000 почв, каждая из которых определяет очень узкий диапазон свойств почвы.

Северная Дакота насчитывает 339 названных серий почв. Серия почвы уникальна благодаря сочетанию таких свойств, как текстура, структура, топографическое положение (на склоне холма или в долине) или глубина уровня грунтовых вод.

Отдельная серия почв описывает области, в которых эти почвенные условия схожи. Эти места могут находиться в одном поле, разделе, округе, штате или даже регионе. Очертания почв на земельных картах графства основаны на сериях почв.

Серия почв обычно носит название города рядом с участком, который представляет типичные свойства этой почвы. Например, участок с типичными свойствами для серии почв Эмбден находится недалеко от Эмбдена, Северная Дакота,

.

Многие серии почв не имеют глубокого однородного профиля почвы.Ограничительные подповерхностные слои часто мешают проникновению корней. В этих почвах корни растений будут сосредоточены в верхней части почвенного профиля. Например, в профиле суглинка Реншоу (рис. 4) большая часть корней растений будет в верхних 18 дюймах, потому что гравий ниже — плохая среда для укоренения. Этот тип информации важен для управления орошением.

Глубина почвы

Глубина почвы означает толщину почвенных материалов, которые обеспечивают структурную поддержку, питательные вещества и воду для растений.В Северной Дакоте почвенные ряды с коренными породами на глубине 10–20 дюймов ниже поверхности описываются как мелкие. Коренная порода от 20 до 40 дюймов описывается как умеренно глубокая.

Большинство серий почв в Северной Дакоте имеют коренные породы на глубине более 40 дюймов и описываются как глубокие. Глубина до контрастных текстур указана в описаниях серий почв в отчетах почвенной съемки.

Глубина контрастирующего слоя почвы из песка и гравия (Рис. 4) может повлиять на решения по управлению орошением.Если глубина этого слоя меньше 3 футов, глубина укоренения и доступная почвенная вода для растений уменьшаются. Почвы с менее доступной водой для растений требуют более частых поливов.

Рис. 4. Глубина горизонта почвы для четырех репрезентативных серий почв Северной Дакоты. A, B и C относятся к разным горизонтам почвы, а IIC указывает на другой материнский материал (для этих серий почв это песок и гравий).

Проницаемость и инфильтрация почвы

Показателем способности воздуха и воды проходить сквозь почву является ее проницаемость.На него влияют размер, форма и непрерывность поровых пространств, которые, в свою очередь, зависят от насыпной плотности, структуры и текстуры почвы.

Большинство серий грунтов относятся к одному классу проницаемости на основе самого ограничивающего слоя в верхних 5 футах профиля почвы (Таблица 1) . Однако почвенные ряды с контрастной структурой в почвенном профиле относятся к более чем одному классу проницаемости. В большинстве случаев почвы с низкой, очень медленной, быстрой или очень быстрой классификацией проницаемости считаются плохими для орошения.

Инфильтрация — это нисходящий поток воды с поверхности через почву. Скорость инфильтрации (иногда называемая скоростью поглощения) почвы — это мера ее способности поглощать количество дождевой или поливной воды в течение заданного периода времени. Обычно выражается в дюймах в час. Это зависит от проницаемости поверхности почвы, содержания влаги в ней и условий поверхности, таких как неровность (обработка почвы и растительные остатки), уклон и растительный покров.

Грунты с крупной структурой, например, пески и гравий, обычно имеют высокую скорость инфильтрации.Скорость инфильтрации средне- и мелкозернистых почв, таких как суглинки, илы и глины, ниже, чем крупнозернистых почв, и на нее влияет стабильность почвенных агрегатов.

Потери воды и питательных веществ растениями могут быть выше на крупнозернистых почвах. Таким образом, время и количество поливов и поливной воды особенно важны для этих почв.

Засоленные и натриевые почвы

Засоленные почвы сгруппированы по содержанию растворимых солей и натрия (Таблица 2) .Засоленные и натриевые почвы обычно встречаются в районах, где грунтовые воды движутся вверх от неглубокого зеркала грунтовых вод близко к поверхности почвы. Вода несет растворенные минералы (соли), которые накапливаются в почве по мере того, как вода испаряется с поверхности почвы или выводится через растения в атмосферу. Как правило, эти почвы не рекомендуются для орошения.

Засоленные и натриевые почвы могут иметь естественное или антропогенное происхождение. Один из искусственных процессов связан с орошением.При определенных сочетаниях качества поливной воды и почвы соли и / или натрий могут накапливаться в корневой зоне и оказывать неблагоприятное воздействие на рост растений.

В некоторых условиях содержание натрия в верхней части почвы можно контролировать с помощью растворимых добавок кальция. Замена натрия кальцием улучшает структуру почвы. Кальциевые добавки в почву могут быть полезны в ситуациях, когда земля с большинством незатронутых орошаемых почв содержит очаги (включения) пораженных натрием почв.При орошении кальциевые добавки в почву помогут там, где поверхностная корка стала проблемой. На этих почвах могут потребоваться особые методы управления орошением.

Выщелачивание или регулирование уровня грунтовых вод может управлять концентрациями солей. Выщелачивание осуществляется путем внесения большего количества воды, чем почва удерживает в корневой зоне. Сильные ливни, добавление поливной воды или и то, и другое приведет к унесению части солей ниже корневой зоны.

Посадка глубоко укоренившейся культуры, такой как люцерна, или установка подземного дренажа могут обеспечить контроль уровня грунтовых вод.Глубокие канавы и облицовка плиткой — это методы подземного дренажа, которые успешно использовались во многих частях мира для контроля уровня грунтовых вод.

Необходимо измерить содержание соли и натрия в почве, чтобы точно определить серьезность проблемы. Содержание соли в почве оценивается путем измерения электропроводности с использованием одного из следующих средств: водной вытяжки из почвы, суспензии почвенной воды или почвенной пасты. Содержание натрия в почве часто измеряется на водной вытяжке почвы и выражается как соотношение между натрием и кальцием плюс магний; ему дан термин коэффициент адсорбции натрия (SAR).

Отбор проб почвы в поверхностном слое (верхние 6 дюймов) на периодической основе (каждые три-пять лет) позволит отслеживать изменения в накопленной соли или натрия. SAR образцов почвы укажет, произошло ли накопление натрия.

Как правило, почвы с SAR 13 от насыщенного экстракта будут иметь значительные физические проблемы из-за рассеивания частиц глины. Обычно почва с SAR 6 или ниже от насыщенного экстракта не будет иметь физических проблем, связанных с диспергированной глиной.Однако, если периодическая выборка показывает, что SAR увеличивается, скажем, с 6 до 9, вам может потребоваться принять меры по исправлению положения.

Топография поля

Топография, или «расположение земли», имеет большое влияние на возможность орошения поля. Рельеф — это компонент топографии, который относится к разнице в высоте между холмами и впадинами в поле. Топографический рельеф будет влиять на тип используемой ирригационной системы, систему водоснабжения (канавы или трубы), требования к дренажу и методы борьбы с водной эрозией.

Форма и расположение топографических форм рельефа и тип сети поверхностных водных путей также будут влиять на управление ирригацией. Например, низкое место на поле, где обычно скапливается вода после дождя, может стать местом, которое постоянно увлажняется при добавлении поливной воды.

При выращивании некоторых культур, таких как картофель, влажная низина может стать источником болезней. Для центрального шарнира башня, которая проходит через низкую точку, может застрять.

■ Наклон

Уклон важен для формирования и управления почвой из-за его влияния на сток, дренаж почвы, эрозию, использование техники и выбор сельскохозяйственных культур.Уклон — это наклон или уклон поверхности, обычно выражаемый в процентах.

Процент уклона определяется путем измерения разницы в высоте в футах на 100 футов горизонтального расстояния. Например, 5-процентный уклон поднимается или опускается на 5 футов на 100 футов горизонтального расстояния.

Форма откоса — еще одна важная характеристика. Выпуклый наклон изгибается наружу, как внешняя поверхность шара, вогнутый наклон изгибается внутрь, как внутренняя поверхность блюдца, а плоский наклон похож на наклонную плоскую поверхность.

Склоны бывают простыми и сложными. Простые склоны имеют гладкий вид с поверхностью, простирающейся в одном или, возможно, в двух направлениях. Например, склоны на конусах выноса и подножия речных долин считаются простыми. Сложные территории имеют короткие склоны, которые простираются в нескольких направлениях и состоят из выпуклых и вогнутых склонов, во многом напоминающих рельеф холмов и выбоин на ледниковых равнинах.

Самотечный (поверхностный) полив можно использовать только на простых уклонах не более 2 процентов.Как правило, простые и сложные откосы более 1 процента следует поливать только с помощью дождевальных или капельных систем. Спринклерные оросительные системы с центральным шарниром могут работать на уклонах до 15 процентов, но обычно простые уклоны более 9 процентов не рекомендуются.

Для адаптации к самотечным или дождевальным системам полива можно использовать выравнивание почвы для изменения уклона поля. Однако выравнивание земель может привести к снижению урожайности в течение одного-трех вегетационных сезонов. В местах снятия верхнего слоя почвы наиболее вероятно снижение урожайности.Для ускорения формирования почвы на этих территориях может потребоваться специальное управление с использованием повышенного содержания органического вещества.

Качество поливной воды

Качество некоторых источников воды не подходит для орошения сельскохозяйственных культур. Поливная вода должна быть совместима с культурами и почвами, на которых она будет применяться. Лаборатория почвы и воды при отделении почвоведения NDSU предоставляет рекомендации по совместимости почвы и воды для орошения. Прежде чем давать рекомендации, необходимы анализ воды и юридическое описание земли, предлагаемой для орошения.

Качество воды для орошения определяется общим содержанием в ней растворенных солей. Анализ воды для орошения должен включать катионы (кальций, магний и натрий) и анионы (бикарбонат, карбонат, сульфат и хлорид). Поскольку некоторые культуры чувствительны к бору, его часто включают в анализ.

Классификация оросительной воды

Двумя наиболее важными факторами, на которые следует обратить внимание при анализе качества поливной воды, являются , общее количество растворенных твердых веществ (TDS) и коэффициент адсорбции натрия (SAR) .TDS пробы воды является мерой концентрации растворимых солей в пробе воды и обычно называется соленостью воды.

Электропроводность (ЕС) пробы воды часто используется в качестве показателя TDS. EC может быть выражен во многих различных единицах, и это часто вызывает путаницу. В отчете об испытании поливной воды вы можете увидеть одну из следующих единиц:

миллимос на сантиметр (ммос / см)
микромос на сантиметр (мкмос / см)
децизименс на метр (дСм / м)
микросименс на сантиметр (мкСм / см)

где:

1000 мкСм / см = 1 ммОс / см = 1 дСм / м = 1000 мкСм / см

SAR пробы воды — это доля натрия по отношению к кальцию и магнию.Поскольку это коэффициент, SAR не имеет единиц измерения.

Лаборатории, выполняющие анализ поливной воды, могут предоставить классификацию пригодности на основе системы, разработанной в Лаборатории солености США в Калифорнии (рис. 5) . Эта система классификации объединяет соленость и соленость. Например, образец воды, классифицированный как C3-S2, будет иметь высокий рейтинг солености и средний рейтинг SAR.

Рисунок 5. Схема классификации оросительной воды.(Из Справочника по сельскому хозяйству № 60, Лаборатория солености Министерства сельского хозяйства США в Риверсайде, Калифорния)

Шкала солености непостоянна, потому что она зависит от уровня солености. Например, SAR, равный 8, относится к категории S1, если соленость составляет от 100 до 300 мкмос / см; S2, если соленость составляет от 300 до 3000 мкмос / см, и S3, если соленость превышает 3000 мкмос / см.

Большая часть воды в Северной Дакоте классифицируется в диапазоне солености от C2 до C3 и в диапазоне опасности натрия от S1 до S2. В целом, любая вода с ЕС более 2000 или значением SAR выше 6 не рекомендуется для непрерывного орошения в Северной Дакоте.

В случаях, когда практикуется спорадическое орошение (конкретный участок земли орошается один год из трех или более), может использоваться вода более низкого качества. Однако вода более низкого качества не должна иметь ЕС, превышающего 3000 мкмос / см, или SAR выше 10.

Кальций, добавленный в поливную воду, может снизить SAR и уменьшить вредное воздействие натрия.Эффективность добавленного кальция зависит от его растворимости в поливной воде. Растворимость кальция регулируется источником кальция (например, карбонат кальция, гипс, хлорид кальция) и концентрацией других ионов в поливной воде.

По сравнению с карбонатом кальция и гипсом добавление хлорида кальция приведет к повышению концентрации растворимого кальция и будет наиболее эффективным для снижения SAR для поливной воды. Однако хлорид кальция значительно дороже карбоната кальция и сульфата кальция (гипса).

■ Соленость

C1 — Вода с низким содержанием соли: Может использоваться для орошения большинства сельскохозяйственных культур на большинстве почв с малой вероятностью развития засоления почвы. Требуется некоторое промывание, но это происходит при обычных методах орошения, за исключением почв с медленной и очень медленной проницаемостью.

C2 — Вода средней солености: Может использоваться при умеренном выщелачивании. Растения с умеренной солеустойчивостью в большинстве случаев можно выращивать без специальных методов борьбы с засолением.

C3 — Вода с высокой соленостью: Не может использоваться на почвах с умеренно медленной или очень медленной проницаемостью. Даже при адекватной проницаемости может потребоваться специальное управление для контроля засоления, и следует выбирать растения с хорошей солеустойчивостью.

C4 — Вода очень высокой солености: Не подходит для орошения в обычных условиях, но может использоваться время от времени в особых обстоятельствах. Почвы должны иметь быструю водопроницаемость, дренаж должен быть адекватным, поливная вода должна применяться в избытке для обеспечения значительного выщелачивания, и следует выбирать очень солеустойчивые культуры.

■ Натрий

S1 — Вода с низким содержанием натрия: Может использоваться для орошения почти всех почв с небольшой опасностью развития вредных уровней обменного натрия.

S2 — Вода со средним содержанием натрия: Будет представлять заметную опасность натрия в мелкозернистых почвах, особенно в условиях слабого выщелачивания. Эту воду можно использовать на крупнозернистых почвах с проницаемостью от умеренно быстрой до очень быстрой.

S3 — Вода с высоким содержанием натрия: Будет производить вредные уровни обменного натрия в большинстве почв и требует особого управления почвой, хорошего дренажа, высокого выщелачивания и добавления большого количества органических веществ.

S4 — Вода с очень высоким содержанием натрия: Обычно непригодна для орошения, за исключением низкой и, возможно, средней солености.

Карбонаты

Карбонат и бикарбонат-ионы в воде соединяются с кальцием и магнием с образованием соединений, которые выпадают в осадок из раствора. Удаление кальция и магния увеличивает опасность натрия для почвы из-за поливной воды. Повышенная опасность натрия часто выражается как «скорректированный SAR». Увеличение «скорректированного SAR» от SAR является относительным показателем увеличения опасности натрия из-за присутствия этих ионов.

Форсунки спринклерных систем были забиты карбонатными минералами в некоторых штатах, но этого не наблюдалось в Северной Дакоте. Однако карбонатные минералы засорили источники выбросов в системах капельного орошения в Северной Дакоте. Чтобы решить эту проблему, добавьте слабую кислоту, чтобы снизить pH поливной воды.

Бор

Бор необходим для нормального роста всех растений, и его необходимое количество невелико по сравнению с другими минералами. Однако некоторые растения чувствительны даже к низким концентрациям бора.Сухие бобы очень чувствительны к небольшому количеству бора, но кукуруза, картофель и люцерна более терпимы. Фактически, концентрация бора, которая может повредить чувствительные растения, часто близка к той, которая требуется для нормального роста толерантных растений.

Хотя никаких проблем с бором в воде, используемой для орошения в Северной Дакоте, не зарегистрировано, тестирование этого элемента в поливной воде является мерой предосторожности. Бор действительно присутствует в некоторых грунтовых водах Северной Дакоты в концентрациях, которые теоретически токсичны для некоторых культур.

Концентрация бора более 2 частей на миллион (ppm) может быть проблемой для некоторых чувствительных культур, особенно в годы, когда требуется большое количество поливной воды.

Взаимодействие почвы и воды

Почва — это среда, которая накапливает и перемещает воду. Если бы кубический фут типичного верхнего слоя почвы из илистого суглинка был разделен на его составные части, около 45 процентов объема составляли бы минеральные вещества (частицы почвы), органические остатки занимали бы около 5 процентов объема, а остальное было бы поровым пространством.

Поровое пространство — это пустоты между частицами почвы, занятые воздухом или водой. Количество и размер порового пространства определяется структурой, объемной плотностью и структурой почвы.

Вода удерживается в почве двумя способами: тонким слоем на внешней стороне частиц почвы и в поровых пространствах. Почвенную воду в поровом пространстве можно разделить на две различные формы: гравитационная вода и капиллярная вода (Рисунок 6) .

Гравитационная вода. Поровые пространства Капиллярная вода удерживается в поровом пространстве против силы
, заполненной водой, превышающей их капиллярную емкость, силы тяжести.
и избыток, или гравитационная вода, стекает вниз.

Рис. 6. Двумя основными способами удержания воды в почве для растений являются капиллярные и гравитационные силы.

Гравитационная вода обычно быстро движется вниз в почве под действием силы тяжести. Капиллярная вода является наиболее важной для растениеводства, потому что она удерживается частицами почвы против силы тяжести.

По мере того, как вода проникает в почву, поры заполняются водой. По мере заполнения пор вода движется через почву под действием силы тяжести и капиллярных сил. Движение воды продолжается вниз до тех пор, пока не будет достигнут баланс между капиллярными силами и силой тяжести.

Вода вытягивается вокруг частиц почвы и через небольшие поры в любом направлении за счет капиллярных сил. Когда капиллярные силы перемещают воду от неглубокого зеркала грунтовых вод вверх, соли могут выпадать в осадок и концентрироваться в почве, поскольку вода удаляется растениями и испарением.

Влагоудерживающая способность почв

Четыре важных уровня влажности почвы отражают доступность воды в почве. Эти уровни обычно называют 1) насыщением, 2) полевой емкостью, 3) точкой увядания и 4) сушкой в ​​печи.

Когда почва насыщена, поры почвы заполняются водой, и почти весь воздух в почве вытесняется водой. Вода, находящаяся в почве между насыщением и полевой емкостью, является гравитационной водой. Часто гравитационной воде требуется несколько дней, чтобы просочиться через почвенный профиль, и, таким образом, некоторая часть может быть поглощена корнями растений.

Пропускная способность определяется как уровень влажности почвы, оставшейся в почве после дренажа гравитационной воды (Рисунок 7) .Вода, удерживаемая между емкостью поля и точкой увядания, доступна для использования растениями.

Вместимость поля. Поры капилляров заполнены и точка увядания . Вода, доступная растениям, исчерпана.
Оставшееся поровое пространство заполнено воздухом.

Рис. 7. Влага, доступная растениям, — это количество влаги, удерживаемой между полем и точкой увядания.

Точка увядания определяется как содержание влаги в почве, при котором большинство растений не может приложить достаточную силу для удаления воды из мелких пор в почве.Большинство сельскохозяйственных культур будут навсегда повреждены, если содержание влаги в почве достигнет точки увядания. Во многих случаях снижение урожайности может произойти задолго до достижения этой точки.

Капиллярная вода, остающаяся в почве за пределами точки увядания, может быть удалена только путем испарения. При сушке в духовке почти вся вода удаляется из почвы. «Сухая» влажность используется в качестве эталона для измерения других трех значений влажности почвы.

При обсуждении водоудерживающей способности, связанной с определенным рядом почв, количество воды, доступной для использования растениями в корневой зоне, обычно составляет (Таблица 3) .Доступное содержание влаги в почве обычно выражается в дюймах на фут почвы.

Например, доступная вода может быть рассчитана для почвы с мелким супесем на первом подошве, супесчаным песком на втором основании и песком на третьем основании. Верхняя опора будет иметь примерно 2 дюйма, вторая опора будет иметь примерно 1 дюйм, а третья опора будет иметь примерно 0,75 дюйма, что в сумме составит 3,75 дюйма доступной воды для культуры с глубиной корня 3 фута.

Напряжение влажности почвы

Степень прилипания воды к почве является наиболее важной характеристикой воды в почве для растущего растения.Это понятие часто выражается как напряжение почвенной влаги. Напряжение почвенной влаги — это отрицательное давление, обычно выражаемое в барах.

В ходе этого обсуждения, когда напряжение влажности почвы становится более отрицательным, это будет обозначаться как «возрастающее» значение. Таким образом, по мере увеличения напряжения влаги в почве (давление воды в почве становится более отрицательным), количество энергии, затрачиваемой растением на удаление воды из почвы, также должно увеличиваться. Один бар напряжения влажности почвы почти эквивалентен давлению -1 атм (1 атм давления равняется 14.7 фунтов на квадратный дюйм на уровне моря).

Насыщенная почва имеет натяжение почвенной влаги около -0,001 бар или меньше, что требует небольшого количества энергии, чтобы растение отводило воду от почвы. При полевой урожайности у большинства почв напряжение влажности почвы составляет от -0,05 до -0,33 бар. Почвы, классифицируемые как песчаные, могут иметь натяжение полевой емкости около -0,10 бар, в то время как глинистая почва будет иметь полевую емкость при натяжении около -0,33 бар. При полевой урожайности удаление воды из почвы растению относительно легко.

Точка увядания достигается, когда максимальная энергия, проявляемая растением, равна напряжению, с которым почва удерживает воду. Для большинства сельскохозяйственных культур это примерно -15 бар напряжения влажности почвы. Для сравнения: температура увядания некоторых пустынных растений составляет от -50 до -60 бар напряжения влажности почвы.

Присутствие большого количества растворимых солей в почве снижает количество воды, доступной растениям. По мере увеличения количества растворенных солей в почвенной воде энергия, затрачиваемая растением на извлечение воды, также должна увеличиваться, даже если напряжение почвенной влаги остается прежним.По сути, растворенные соли уменьшают общее количество доступной воды в почвенном профиле.

Как растения получают воду из почвы

Вода необходима для роста растений. Без достаточного количества воды нормальные функции растений нарушаются, и растение постепенно увядает, перестает расти и погибает. Растения наиболее подвержены повреждению от недостатка воды на вегетативной и репродуктивной стадиях роста. Кроме того, многие растения очень чувствительны к засолению во время прорастания и на ранних стадиях роста.

Большая часть воды, поступающей в корни растений, не остается в растении. Менее 1 процента воды, потребляемой растением, фактически используется в фотосинтезе (усваивается растением). Остальная вода перемещается к поверхности листьев, где она испаряется (испаряется) в атмосферу. Скорость, с которой растение поглощает воду, определяется его физическими характеристиками, атмосферой и почвенной средой.

По мере того, как вода движется из почвы в корни, через стебель, в листья и через устьица листьев в воздух, она переходит от низкого давления воды к высокому. (Рисунок 8) .Напряжение воды в воздухе во многом определяется относительной влажностью и всегда больше, чем натяжение воды в почве.

Рис. 8. Иллюстрация разницы в энергии, которая движет потоком воды из почвы в корни, вверх по стеблю, в листья и в атмосферу. Вода переходит от менее отрицательного напряжения влажности почвы к более отрицательному напряжению атмосферы.

Растения могут извлекать только ту почвенную воду, которая контактирует с их корнями.Для большинства агрономических культур распределение корней в глубокой однородной почве сосредоточено вблизи поверхности почвы (Рисунок 9) . Таким образом, в течение вегетационного периода растения обычно извлекают больше воды из верхней части своей корневой зоны, чем из нижней.

Рис. 9. В течение вегетационного периода растения извлекают около 40 процентов воды из верхней четверти, 30 процентов из второй четверти, 20 процентов из третьей четверти и 10 процентов из нижней четверти корня. зона.

Такие растения, как травы, которые имеют высокую плотность корней на единицу объема почвы, могут поглощать всю доступную почвенную воду. Другие растения, такие как овощи, с низкой плотностью корней, могут быть не в состоянии получить столько воды из равного объема той же почвы. Таким образом, овощи, как правило, более чувствительны к водному стрессу, чем агрономические культуры с высокой плотностью корней, такие как люцерна, кукуруза, пшеница и подсолнечник.

Использование воды для сельскохозяйственных культур

Использование воды растениями, также называемое эвапотранспирацией или ЭП, часто определяется как суточная оценка сочетания количества воды, выделяемой растениями, и количества испарений с поверхности почвы вокруг растений.Использование воды растением меняется предсказуемо от прорастания до созревания.

Все агрономические культуры имеют одинаковую структуру водопользования (Рисунок 10) . Однако общее потребление воды растениями будет варьироваться от сезона к вегетационному сезону из-за изменений климатических переменных (температура воздуха, количество солнечного света, влажность, ветер) и различий в почве между полями (глубина корней, влагоудерживающая способность почвы, текстура, структура , так далее.).

Рисунок 10.Типичная кривая водопотребления для большинства сельскохозяйственных культур.

В результате многолетних исследований были получены уравнения, позволяющие точно рассчитать значения водопотребления сельскохозяйственных культур для основных орошаемых культур в Северной Дакоте с использованием измеренных суточных погодных переменных. Эти уравнения были объединены с данными о погоде, собранными Сетью сельскохозяйственных погодных условий Северной Дакоты (NDAWN), чтобы обеспечить суточные оценки использования воды растениями для каждой метеостанции в сети. Значения использования воды для сельскохозяйственных культур можно найти в формате таблицы или карты на веб-сайте NDAWN в разделе «Приложения» в левом меню.

Знание моделей водопользования на разных стадиях роста имеет большое влияние на то, как проектируется и управляется ирригационная система. Неспособность распознать модели водопользования культурой может привести к неэффективному управлению поливом. Недостаток воды для сельскохозяйственных культур, вымывание удобрений и пестицидов, а также увеличение затрат на перекачивание — это лишь некоторые из результатов плохого управления поливной водой.

Управление оросительной водой

Одна из самых сложных частей управления поливной водой — это решить, когда включать ирригационную систему и сколько применять.Хорошее управление поливом начинается с точного измерения количества дождя, полученного на каждом орошаемом поле. В идеале каждое орошаемое поле должно иметь по крайней мере один, а возможно, два дождемера (не менее 2 дюймов в диаметре), установленных на столбах рядом с полем.

Оценка влажности почвы является наиболее распространенным методом управления поливной водой; однако это необходимо делать регулярно в течение всего вегетационного периода. В летнюю жару обычно проверяют влажность почвы два-три раза в неделю.

Самым старым и наиболее часто используемым является «метод наощупь», который оценивает влажность почвы, беря образец почвы в руку и сжимая его в шарик. Наблюдая за внешним видом мяча и создавая полосу почвы между большим и указательным пальцами, можно определить содержание влаги в почве. Этот метод требует практики и опыта, чтобы точно прогнозировать потребности в воде для орошения.

Для определения полного водного статуса почвы необходимо брать пробы почвы с нескольких уровней в корневой зоне.Этот метод популярен, потому что его можно комбинировать с другими полевыми видами деятельности, такими как разведка насекомых, отбор проб почвы на азот или отбор проб черешков.

Механические устройства, такие как тензиометры и блоки влажности почвы, также используются для управления поливной водой. Эти устройства особенно полезны для плодовых и овощных культур. Для этих культур они оказались точными, надежными и недорогими. Для составления расписания полива могут использоваться другие, более сложные приборы, но, как правило, они не используются для управления поливом из-за больших затрат.

Планирование полива

Планирование полива — это наука и / или искусство применения надлежащего количества воды в нужное время для обеспечения максимальной полезной влажности почвы в корневой зоне растения, не вызывая вредного стресса. Планирование полива — это баланс между применением слишком большого или недостаточного количества воды для удовлетворения потребностей растений на определенной стадии роста.

Использование слишком большого количества воды может привести к более высоким затратам на перекачивание и большему воздействию болезней на урожай.Внесение слишком малого количества воды в неподходящее время вызовет стресс у урожая и снизит урожайность. Планирование поливов — это в основном методология принятия решений. Каждому оросителю пришлось научиться разрабатывать метод планирования полива, который работает в его или ее ситуации.

Распространенной формой планирования полива является метод «замены». Ирригаторы, которые следуют этому методу, регистрируют (обычно в календаре) количество дождя и полива, а также ежедневное использование воды растениями. Время и количество полива корректируются для восполнения почвенной воды, используемой растениями.

Другая форма метода замены — это предположить, что среднесуточное потребление воды растениями составляет 0,25 дюйма в день. Средняя сумма за неделю в июле и августе составляет 1,75 дюйма. Количество дождевых осадков в течение недели вычитается из 1,75 и применяется это количество поливной воды. Имея доступ к Интернету, этот метод можно было бы значительно улучшить, используя данные об использовании воды для сельскохозяйственных культур с веб-сайта NDAWN.

Процедура планирования полива, называемая методом «чековой книжки», успешно используется в течение многих лет в Северной Дакоте.Метод чековой книжки — это метод учета влажности почвы, который использует суточные значения водопотребления растениями и влагоудерживающую способность почвы для прогнозирования времени и количества воды, необходимых для восполнения того, что было удалено из корневой зоны. Дождь и полив — это «отложения» для хранения в корневой зоне, а использование воды растениями — это забор воды из этого хранилища.

Три инструмента планирования полива доступны ирригаторам в Северной Дакоте. Ручной метод описан в дополнительной публикации AE792 «Планирование полива методом чековой книжки».«Два других — электронные методы. Веб-приложение для конкретного сайта доступно через веб-сайт NDAWN; загляните в меню «Приложения».

Также была разработана версия чековой книжки в виде электронной таблицы. Он включает методы чековой книжки от NDSU и Университета Миннесоты. В Северной Дакоте программу можно использовать для планирования полива кукурузы, пшеницы, ячменя, картофеля, люцерны, сои, подсолнечника, сахарной свеклы и подсолнечника. В Миннесоте программу можно использовать для планирования полива кукурузы, пшеницы, сои, подсолнечника, картофеля, сахарной свеклы и фасоли.

Дополнительные источники информации

Дополнительные публикации

AE1360, «Анализ пробы поливной воды»

AE1637, «Совместимость почв Северной Дакоты для орошения»

SF1087, «Обработка засоленных почв в Северной Дакоте»

AE92, «Планирование ирригации … Контрольный список»

AE91, «Выбор спринклерной системы орошения»

AE792, «Планирование полива методом чековой книжки»

Публикации NRCS

Руководство по ирригации Северной Дакоты, доступно на веб-сайте NRCS.

Web Soil Survey.

О почве, воде и донных отложениях Статья

Гидрологический цикл. Перенос воды из осадков в поверхностные и грунтовые воды, в накопители и сток и, в конечном итоге, обратно в атмосферу — это непрерывный цикл (FISRWG 2001).

Осадки

Осадки возвращают воду на поверхность земли. Под осадками обычно понимают ливень или шторм.Однако таяние снегов также является важным источником воды, особенно для рек, берущих начало в высокогорных районах, и для континентальных регионов, которые испытывают сезонные циклы снегопадов и таяния снегов. Осадки, достигающие Земли, могут вернуться в атмосферу; продвинуться в почву; или сбегать с поверхности земли в ручьи, озера, водно-болотные угодья или другие водоемы. Все три пути играют роль в определении того, как вода движется по ландшафту.

Ключевыми функциями гидрологического цикла, на которые больше всего влияет использование внедорожников (OHV), являются перехват, инфильтрация, накопление влаги в почве и сток.

Перехват

Более двух третей осадков, выпадающих над Соединенными Штатами, испаряется в атмосферу, а не выбрасывается в виде ручья. Это «короткое замыкание» гидрологического цикла происходит из-за двух процессов: перехвата и эвапотранспирации.

Часть осадков никогда не достигает земли, потому что она задерживается растительностью и другими естественными и искусственными поверхностями. Количество воды, перехватываемой таким образом, определяется объемом перехватываемой воды, доступной на надземных поверхностях.На засаженных растительностью территориях хранение зависит от типа растения, а также от формы и плотности листьев, ветвей и стеблей. Травинки так же важны для этой функции, как и навесы деревьев.

Типичные пути выпадения дождевых осадков в лесу. Часть осадков никогда не достигает земли, потому что задерживается растительностью и другими поверхностями (FISRWG 2001).

Сток в начале шторма изначально заполняет места хранения перехватчиков в навесе.По мере того как шторм продолжается, вода, хранящаяся в этих хранилищах, вытесняется. Вытесненная вода падает на следующий нижний слой ветвей и ветвей и заполняет там места хранения. Этот процесс повторяется до тех пор, пока вытесненная вода не достигнет самого нижнего слоя — опадания листьев. В этот момент вода, вытесняемая из листовой подстилки, либо проникает в почву, либо движется вниз по склону в виде поверхностного стока.

Перехват обычно незначителен в районах с небольшой растительностью или без нее. Голая почва или скала имеют небольшие непроницаемые углубления, которые функционируют как перехватывающие накопители, но обычно большая часть осадков либо проникает в почву, либо перемещается вниз по склону в виде поверхностного стока.В районах с мерзлым грунтом места перехвата обычно заполнены замороженной водой. Следовательно, дополнительные осадки быстро трансформируются в поверхностный сток.

Почвенный профиль. Вода втягивается в поры почвы под действием силы тяжести и капиллярного действия (FISRWG 2001).

Проникновение

Характеристики почвы, такие как текстура и рыхлость, являются ключевыми факторами при определении пористости. Крупнозернистые песчаные почвы и почвы с рыхлыми агрегатами, удерживаемыми вместе органическими веществами или небольшими количествами глины, имеют большие поры и, следовательно, высокую пористость.Плотно уплотненные или глинистые почвы имеют низкую пористость.

Инфильтрация — это термин, используемый для описания движения воды в поры почвы. Скорость инфильтрации — это количество воды, которое впитывается в почву за определенный период времени. Максимальная скорость, с которой вода проникает в почву, называется инфильтрационной способностью почвы. Если интенсивность дождя меньше, чем способность инфильтрации, вода проникает в почву со скоростью, равной интенсивности дождя. Если количество осадков превышает способность инфильтрации, избыток воды либо задерживается в небольших углублениях на поверхности почвы, либо стекает вниз по склону в виде поверхностного стока.

Вертикальная сложность. Сложность может включать несколько слоев растительности (FISRWG 2001).

Районы с естественным растительным покровом, опавшей листвой и илом обычно имеют высокую степень инфильтрации. Эти особенности защищают поровые пространства на поверхности почвы от забивания мелкими частицами почвы, создаваемыми брызгами дождевых капель. Они также обеспечивают среду обитания для червей и других роющих организмов и содержат органическое вещество, которое помогает связывать вместе мелкие частицы почвы. Оба эти процесса увеличивают пористость и скорость инфильтрации.

Влажность почвы

После урагана вода стекает из верхних слоев почвы под действием силы тяжести. Однако почва остается влажной, потому что некоторое количество воды остается плотно удерживаемой в мелких порах и вокруг частиц за счет поверхностного натяжения. Это состояние, называемое полевой вместимостью, зависит от текстуры почвы. Влажность почвы наиболее важна в контексте эвапотранспирации. Наземные растения зависят от воды, хранящейся в почве. Поскольку их корни извлекают воду из все более мелких пор, содержание влаги в почве может упасть ниже полевой емкости.

Если влажность почвы не пополняется, корни в конечном итоге достигают точки, когда они не могут создать достаточное всасывание для извлечения плотно удерживаемой межклеточной поровой воды. Влажность почвы в этот момент, которая варьируется в зависимости от характеристик почвы, называется точкой постоянного увядания, потому что растения больше не могут забирать воду из почвы со скоростью, достаточной для удовлетворения требований транспирации, вызывая у растений увядать.

Пути потока воды по поверхности.Доля осадков, которая стекает или просачивается в уровень грунтовых вод, зависит от степени проницаемости почвы; шероховатость поверхности; и интенсивность осадков (FISRWG 2001).

Сток

Когда интенсивность дождя или таяния снега превышает инфильтрационную способность или когда емкость почвы для хранения влаги заполнена, избыток воды собирается на поверхности почвы в небольших углублениях (накопление в углублениях). В этих углублениях откладывают яйца земноводные, такие как лягушки, саламандры и раки.Сохраненная вода в конечном итоге возвращается в атмосферу через испарение или просачивается в почву. После заполнения резервуаров в депрессии избыток воды начинает спускаться по склону либо в виде неглубокого слоя воды, либо в виде серии небольших ручейков.

Водный покров, называемый стоком или наземным потоком, увеличивается в глубину и скорость по мере движения вниз. Этот сток вызывает эрозию. Когда поток замедляется или останавливается, осадок выпадает. В конечном итоге стоки попадают в ручьи, озера, водно-болотные угодья или другие водоемы.

Содержание воды в почве — обзор

3. Содержание воды в почве

Было обнаружено, что содержание воды в почве играет важную роль в перемещении вирусов в пористых средах. Исследования показали, что при ненасыщенном переносе вирусы обычно удаляются более интенсивно, чем при насыщенном (Bitton et al., 1984; Hurst et al., 1980; Jin et al., 2000a, Jorgensen, 1985; Lance and Герба, 1984; Полетика и др., 1995; Powelson et al., 1990; Пауэльсон и Герба, 1994; Йегер и О’Брайен, 1979). Хотя механизмы, посредством которых содержание воды влияет на сорбцию и инактивацию вируса во время транспортировки, в настоящее время неясны, в литературе было предложено несколько возможностей, которые кратко изложены ниже.

Bitton et al. (1984) и Jorgensen (1985) постулировали, что ограниченное перемещение вируса в ненасыщенных условиях было связано с повышенной сорбцией вирусов на твердых поверхностях.Считается, что электростатические и гидрофобные взаимодействия, а также силы Ван-дер-Ваальса ответственны за сорбцию вируса на границе раздела твердое тело-вода (Preston and Farrah, 1988). Однако Powelson et al. (1990) отклонил эту возможность, основываясь на своих расчетах размера заполненных водой пор, которые, по-видимому, были намного больше, чем размеры вирусов. Вместо этого они пришли к выводу, что сильное удаление MS-2 в их экспериментах с ненасыщенной колонкой было вызвано инактивацией, предположительно из-за наличия границы раздела воздух-вода.Поскольку сорбция коллоидов (включая гидрофобные и гидрофильные частицы глины и латекса полистирола, а также бактерий) на поверхности пузырьков воздуха была непосредственно визуализирована (Wan and Wilson, 1992, 1994), присутствие AWI было предложено многими и больше исследователей в качестве доминирующего механизма, ответственного за повышенное удаление коллоидных частиц, включая вирусы и бактерии, в ненасыщенных системах (Jewett et al., 1999; Jin et al., 2000a; Poletika et al., 1995; Пауэлсон и Миллс, 1996; Schäfer et al., 1998).

Теория деформации пленки, представленная Ван и Токунага (1997), предполагает, что перенос взвешенных коллоидов может быть замедлен из-за физических ограничений, налагаемых тонкими пленками воды в частично насыщенных пористых средах. Напряжение пленки становится эффективным при «критическом матричном потенциале» и «критическом насыщении», при которых разрываются толстопленочные межсоединения между маятниковыми (капиллярными) кольцами (Wan and Tokunaga, 1997).Эта модель предсказывает, что величина переноса коллоида через водные пленки зависит от отношения размера частиц ( d _p ) к толщине пленки ( h ₀ ) и от скорости потока. Эксперименты проводились с использованием однородного песка и частиц латекса разного размера с разной скоростью и разным уровнем водонасыщенности, и результаты хорошо согласовывались с предсказаниями модели. Экспериментальные результаты по влиянию отношения d _p / h ₀ на движение сферических частиц в стабильной жидкой пленке, стекающей по наклонной плоской поверхности, были недавно опубликованы Veerapaneni et al. (2000). Они обнаружили, что (i) при низких значениях d _p / h ₀ скорость частиц увеличивалась почти линейно с увеличением размера частиц; (ii) в диапазоне d _p / h ₀ = 0,7–1 скорость частиц быстро уменьшалась с увеличением размера частиц; (iii) в диапазоне d _p / h ₀ = 1–1,75, частицы перестали двигаться, и (iv) при d _p / h ₀ > 1,7 скорость частиц снова увеличивается с увеличением размера частиц.Авторы признали необходимость включения эффекта короткодействующих сил (например, ван-дер-Ваальсовых взаимодействий и двухслойных взаимодействий) и эффекта броуновского движения в будущую работу, чтобы проверить полученные ими результаты.

Отсутствуют экспериментальные данные для проверки ранее упомянутых механизмов. Большинство исследований переноса вирусов через ненасыщенные пористые среды проводилось в условиях нестационарного потока (например, эксперименты по инфильтрации) или в системах с неравномерным распределением воды.Таким образом, очень сложно идентифицировать и исследовать механизмы, ответственные за повышенное удаление вирусов в ненасыщенных системах. Следует также отметить, что предыдущие исследования, которые продемонстрировали важность AWI для удержания коллоидных частиц в ненасыщенных пористых средах, в основном проводились в условиях, которые очень благоприятны для сорбции в AWI, например, с использованием инертных твердых материалов.

В ненасыщенной пористой среде сложно изолировать локальные реакции вирусов на границах раздела твердое тело – вода и воздух – вода.О попытке провести различие между двумя межфазными реакциями сообщили Chu et al. (2001). Эти авторы использовали инертные (удалены оксиды металлов) и реактивные пески в экспериментах на колоннах в условиях насыщенного и ненасыщенного потока. Удаление оксидов из песчинок сделало песок инертным в отношении сорбции и инактивации вирусов. Экспериментальные данные и метод последовательного моделирования показали, что два разных вируса (φX174 и MS-2) преимущественно сорбируются на границе твердое тело – вода, чем на границе раздела воздух – вода.Замедление вируса и его удаление в ненасыщенных колонках в основном контролировалось сорбцией / инактивацией на границе твердое тело – вода, а не на границе раздела воздух – вода. На рисунке 10 показано такое поведение для φX174, что указывает на то, что чем ниже водонасыщенность в колоннах, тем больше разница в переносе вирусов между нереактивными (удалены оксиды металлов) и реактивными песками. При 100% насыщении φX174 вел себя как консервативный индикатор в нереактивном песке, тогда как необратимая сорбция / инактивация происходила в реактивном песке.