В твердом состоянии (лед) все молекулы воды соединены водородными связями. При нагревании лед плавится, и частично эти связи разрываются. При нуле градусов разрывается примерно 15 % водородных связей. Даже при нагревании до 20 градусов остаются не нарушенными 80 % водородных связей.

Высокая скрытая теплота испарения воды обусловливается наличием водородных связей. Для того чтобы в процессе испарения произошел отрыв молекул от водной поверхности, необходимо затратить дополнительное количество энергии для разрыва водородных связей. Поэтому испарение воды растением (транспирация) сопровождается охлаждением транспирирующих органов. Понижение температуры листьев при транспирации имеет важное физиологическое значение.

Вода обладает очень высокой теплоемкостью, поэтому поглощение или потеря значительного количества тепла тканями растений сопровождается сравнительно небольшими колебаниями их температуры. Это позволяет растительному организму воспринимать колебания температуры окружающей среды в смягченном виде. Вода в растении находится как в свободном состоянии, так и в связанном. Свободной называют воду, сохранившую все или почти все свойства чистой воды. Свободная вода легко передвигается, вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации и замерзает при низких температурах. Связанная вода имеет измененные физические свойства вследствие взаимодействия с неводными компонентами. Эти взаимодействия представляют собой процессы гидратации, вследствие чего связанную воду нередко называют гидратной водой. Различают два основных процесса гидратации: 1) притяжение диполей воды к заряженным частицам (как к ионам минеральных солей, так и к заряженным группам белка СОО- и NH2+);

2) образование водородных связей с полярными группами органических веществ – между водородом воды и атомами О или N.

Воду, гидратирующую коллоидные частицы (прежде всего белки) называют коллоидно-связанной, а растворенные вещества (минеральные соли, сахара, органические кислоты и др.) – осмотически связанной.

Вода обладает исключительно высокой растворяющей способностью. В воде анионы и катионы какой-либо соли оказываются разъединенными. Гидратные оболочки, окружающие ионы, ограничивают их взаимодействие. Положительно заряженные ионы притягивают полюс молекулы воды с отрицательно заряженными атомами кислорода, тогда как ионы, несущие отрицательный заряд, притягивают полюс с положительно заряженными атомами водорода. Одновременно нарушается и структура самой воды. При этом, чем крупнее ион, тем это нарушение сильнее (Якушкина, 1980).

1. 3. Фракционный состав почвенной влаги.

С физиологической точки зрения удобно выделить следующие формы почвенной влаги, различающиеся по степени доступности их для растений:

1. Гравитационная вода.

2. Капиллярная вода.

3. Пленочная вода.

4. Гигроскопическая вода (Якушкина, 1980).

В настоящее время выделяют такие формы (фракции) почвенной влаги:

Химически связанная вода. Эту категорию воды можно разделить на конституционную и кристаллизационную. Первая входит в состав вторичных минералов. Она настолько прочно связана, что для ее удаления требуется применение температуры до 200 градусов и выше. Естественно, что эта форма воды недоступна для растений. К конституционной воде следует также отнести воду, входящую в состав органических веществ почвы.

Кристаллизационная вода менее прочно связана, нежели конституционная. Она входит в состав гипса и других минералов. Ее можно удалить путем продолжительного прогревания при температуре около 100 градусов. Эта вода также недоступна для растений.

Сорбированная вода. Сорбированную воду делят на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную). Обе эти формы непосредственно облекают почвенные частицы и удерживаются на их поверхности силами адсорбции.

Гигроскопическая вода удерживается с силой до 1000 МПа и более и передвигается только после перехода в парообразное состояние. Удаляется из почвы при нагревании до 105 градусов в течение 6 часов. Наличие такой воды обусловлено гигроскопичностью почвы. Т. е. Способностью твердой фазы своей поверхностью поглощать водяные пары. Гигроскопичность зависит от механического состава почвы и содержания в ней органического вещества. Максимальное содержание гигроскопической влаги наблюдается при полном насыщении воздуха водяными парами, т. е. При 99 – 100 %-ной относительной влажности. Это содержание гигроскопической влаги называют наибольшей или максимальной гигроскопичностью почвы.

Адсорбированный на поверхности почвенных частиц слой гигроскопической влаги теряет свою подвижность и сильно уплотняется. В результате высокой плотности гигроскопическая вода изменяет свою естественную структуру и ряд физико-химических свойств. Такая вода обладает повышенной по сравнению с чистой водой вязкостью, не замерзает даже при –70 –78 градусах, не обладает электропроводностью. Данная форма почвенной воды недоступна растениям. Так как силы связывания воды превышают сосущую силу корней.

Хотя гигроскопическая вода и недоступна для растений, но ее образование имеет большое значение, так как сокращает непроизводительный расход капельно-жидкой влаги, поступающей в почву.

Пленочная вода. Парообразная влага, конденсируясь на поверхности почвенных частиц при определенных условиях температуры и давления, дает начало образованию водной пленки. Процесс поглощения водяных паров почвой рассматривается как переходный к адсорбции воды. Таким образом, часть сорбированной воды, которая связывается менее прочными силами, и представляет собой рыхлосвязанную воду. Она удерживается на поверхности тонких пленок прочносвязанной (гигроскопической) воды. Это дополнительно связанная сорбционными силами вода носит название пленочной. Часть этой влаги принадлежит водным оболочкам коллоидных частиц почвы, с которыми связь воды более прочная, чем с грубо дисперсными элементами. Эту часть пленочной влаги называют коллоидной водой.

Пленочная вода, как и гигроскопическая, не передвигается в почве под влиянием силы тяжести, но может переходить от одной почвенной частицы к другой в сторону более тонкой пленки, окружающей эти частицы.

Пленочная и гигроскопическая вода представляют собой связанную почвенную влагу, удерживаемую молекулярными силами притяжения. Максимальная толщина водной пленки, удерживаемой твердыми почвенными частицами и коллоидами, представляет максимальную пленочную влагоемкость почвы.

Пленочная вода отличается по своим физико-химическим свойствам и подвижности от свободной воды. Точка замерзания воды находится в интервале от –4 до –78 градусов. Она имеет повышенную вязкость и пониженную растворяющую способность. В отличие от гигроскопической пленочная вода проявляет небольшую растворяющую способность – она содержит некоторое количество электролитов и обладает электропроводностью. В пленке происходит постепенное нарастание концентрации растворенных веществ, начиная от нуля у поверхности частиц (гигроскопическая влага) и постепенно увеличиваясь до концентрации свободного раствора. Пленочная влага частично доступна для растений.

Свободная вода. Почвенный профиль имеет большой процент свободного пространства, т. е. он порист. Доля пор зависит от типа почвы. В основном половина объема почвы является свободным пространством, которое заполняется воздухом или водой. Свободное пространство имеется и в почвенных агрегатах (структурах), где оно представлено капиллярами.

В период выпадения осадков или при поливе свободное пространство заполняется водой. Эту воду, считающуюся свободной, дифференцируют на капиллярную и гравитационную. Она доступна для растений.

Капиллярная вода. Как известно, водная поверхность в капиллярах имеет вогнутую форму. Поверхностное давление вогнутой формы меньше нормального. Т. е. меньше давления под плоской поверхностью. В результате возникновения добавочного давления под искривленной поверхностью в капиллярах при их погружении происходит поднятие воды. Высота этого поднятия пропорциональна поверхностному натяжению и обратно пропорциональна радиусу капилляра: чем тоньше капилляры, тем уровень воды в них выше по сравнению с уровнем воды, в которую капилляр опущен. Поэтому уровень капиллярной воды в почве всегда выше уровня грунтовой воды и вода по капиллярам может продвигаться из нижних в верхние слои почвы. Высота поднятия капиллярной воды зависит от механического состава почвы: с увеличением дисперсности почвенных частиц капилляры утончаются, и это обусловливает более значительную высоту поднятия грунтовой воды. Однако в лишком тонких капиллярах вся вода находится в адсорбированном (прочносвязанном) состоянии и теряет подвижность, что мешает ее подъему. Максимально возможная высота поднятия капиллярной воды в естественных условиях достигает %-: м (в глинистых почвах). Однако такой уровень капиллярной влаги устанавливается редко. Обычно этот уровень не превышает 3-4 метров. А для почв легкого механического состава и того меньше. Эту воду называют капиллярно подпертой водой. )