Влагообмен в почве представляет собой совокупность физических процессов, определяющих перемещение, распределение и фазовые переходы влаги в пределах почвенной толщи. Движение воды в почве зависит от её агрегатного состояния, строения порового пространства, температурного режима и градиентов влажности и давления. Основными формами влаги в почве являются гравитационная, капиллярная, плёночная, осмотическая и парообразная. Каждая из них участвует в влагообмене, определяя динамику взаимодействия почвы с атмосферой и грунтовыми водами.
Гравитационная вода Находится в крупных порах (макропорах) и перемещается под действием силы тяжести. Она недолго задерживается в почве, быстро фильтруется в нижние горизонты, пополняя грунтовые воды.
Капиллярная вода Удерживается в порах малого диаметра за счёт сил поверхностного натяжения. Эта форма влаги наиболее доступна для растений и является основным источником их водоснабжения.
Плёночная вода Образует тонкие слои на поверхности почвенных частиц. Её движение ограничено, а доступность для растений минимальна из-за высокой энергии связывания.
Гигроскопическая вода Фиксируется в виде молекулярных слоёв на поверхности частиц и не участвует в транспорте влаги, оставаясь недоступной для корней растений.
Парообразная вода Находится в воздушных порах почвы и перемещается за счёт диффузии и конвекции, что особенно важно при колебаниях температуры и испарении с поверхности.
Фильтрация и инфильтрация Гравитационная вода перемещается вниз через почву под действием силы тяжести. Этот процесс определяется водопроницаемостью почвы, которая зависит от её гранулометрического состава и структуры. Песчаные почвы обладают высокой скоростью фильтрации, тогда как глинистые характеризуются низкой проницаемостью.
Капиллярное поднятие Из нижележащих горизонтов вода способна подниматься вверх по капиллярам, обеспечивая увлажнение корнеобитаемой зоны даже при отсутствии осадков. Высота капиллярного поднятия обратно пропорциональна диаметру пор: в мелкозёмистых почвах она может достигать нескольких метров.
Диффузия влаги Парообразная вода перемещается в пределах почвенной толщи в направлении уменьшения парциального давления. Данный процесс особенно интенсивен в верхних горизонтах, где значительны суточные и сезонные колебания температуры.
Фазовые переходы Влага может переходить из жидкой фазы в паровую и обратно. Испарение влаги с поверхности почвы и её конденсация в более глубоких горизонтах создают вертикальные потоки, влияющие на тепловой и водный баланс экосистемы.
Температурный режим почвы напрямую влияет на влагообмен. С прогреванием поверхности почвы увеличивается интенсивность испарения, а также усиливается движение влаги в парообразной форме. В зимний период замерзание воды в порах приводит к перераспределению влаги: за счёт миграции жидкой воды к фронту промерзания формируются наледи и линзы льда.
Атмосферные осадки Являются основным источником пополнения влагозапасов почвы. Инфильтрация осадков зависит от интенсивности дождя или снеготаяния, водопроницаемости почвы и её текущей влажности. При превышении фильтрационной способности возникает поверхностный сток.
Испарение и транспирация Совокупное испарение с поверхности почвы и транспирация растений образуют показатель эвапотранспирации. Он определяет, какая часть влаги возвращается в атмосферу.
Грунтовые воды При близком их залегании они могут подпитывать почвенную влагу за счёт капиллярного поднятия. При глубоком уровне грунтовых вод прямое влияние на влагообмен минимально.
Структура почвы определяет соотношение пор различного диаметра и, следовательно, характер влагообмена.
Движение влаги в почве описывается уравнением Дарси для фильтрационных потоков и уравнением Ричардса, учитывающим нестационарные процессы:
$$ \frac{\partial \theta}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial z} \left[ K(\theta) \left( \frac{\partial h}{\partial z} + 1 \right) \right], $$
где θ – влажность почвы, t – время, z – глубина, K(θ) – коэффициент фильтрации (гидравлической проводимости), h – матричный потенциал влаги.
Это уравнение позволяет описывать динамику распределения влаги под действием осадков, испарения, инфильтрации и капиллярного поднятия.
Влагообмен в почвенной толще играет ключевую роль в устойчивости экосистем: