ПОЧВОВЕДЕНИЕ. ВОДА В ПОЧВЕ

 

 

Потенциал почвенной воды. Капиллярно-сорбционный потенциал почвенной воды или матричный потенциал

 

Поскольку вода в почве находится под одновременным сложным воздействием нескольких силовых полей — адсорбционных, капиллярных, осмотических, гравитационных, — для характеристики их суммарного действия и оценки энергетического состояния воды в почве введено понятие термодинамического, или полного, потенциала почвенной воды.

 

Полный потенциал почвенной воды — это количество работы, которую необходимо затратить, чтобы перенести единицу свободной чистой воды обратимо и изотермически из стандартного состояния S0 в то состояние Sn, в котором она находится в рассматриваемой точке почвы. Иными словами, эта величина выражает способность воды в почве производить большую или меньшую работу по сравнению с чистой свободной водой. За стандартное состояние S0 при этом принимается резервуар с чистой (без солей, т. е. с осмотическим давлением П = 0) свободной (т. е. не подверженной влиянию адсорбционных и капиллярных сил) водой при температуре Т0, высоте h0 и давлении Р0. Потенциал почвенной воды — величина отрицательная, поскольку необходима работа (положительного знака) по его преодолению. Вместо понятия «потенциал» в почвоведении принято использовать понятие «давление почвенной воды», которое измеряется в паскалях [Па=кг/с2 • м].

 

Полный, или термодинамический, потенциал почвенной воды равен сумме частных потенциалов, связанных с разными силовыми полями

 

Адсорбционный потенциал почвенной воды (ф„), или адсорбционное давление (расклинивающее давление, по Б. В. Деря- гину), возникает в процессе взаимодействия молекул воды с поверхностью твердой фазы почвы, в результате которого вода сорбируется твердыми почвенными частицами в виде тонкой пленит. Возникающий при этом потенциал прямо пропорционален работе десорбции воды (dAJ и обратно пропорционален поверхности твердой фазы (S) и толщине адсорбированного слоя (dh)

 

Капиллярный потенциал почвенной воды или ее капиллярное давление, возникает на поверхности раздела между твердой, жидкой и газовой фазами почвы в гонких капиллярах; он пропорционален работе по «отсасыванию» капиллярной воды (dAJ и обратно пропорционален изменению ее объема (dV)

 

 

Осмотический потенциал почвенной воды (ф0), или ее осмотическое давление, возникающий вследствие наличия в воде растворенных веществ, пропорционален работе (dAJ по удалению воды из раствора (например, через полупроницаемую мембрану, при помощи электродиализа) и обратно пропорционален изменению ее объема

 

Гравитационный потенциал почвенной воды (фв), или гравитационное давление, возникающий в почве под влиянием сил земного тяготения, пропорционален работе вертикального перемещения воды (dAJ и опять-таки обратно пропорционален изменению объема воды

 

Все перечисленные потенциалы могут быть оценены теми или иными методами, разработанными в физике почв, однако их непосредственное измерение встречает существенные трудности. С целью преодоления экспериментальных трудностей введено понятие о потенциале тензиометрического давления (ф„). который можно непосредственно измерять с помощью тензиометров или иным методом (криоскопическим, психрометрическим, гигроскопическим) .

 

Потенциал тензиометрического давления (срр), или потенциал давления почвенной воды, возникающий в результате совместного действия силовых полей в почве на заключенную в ней воду, не считая гравитационное и осмотическое поля, зависит от геометрии жидкой фазы (кривизны менисковых поверхностей), давления в газовой фазе, геометрии твердой фазы (ее удельной поверхности) или матрицы, содержания воды в почве. Этот потенциал можно выразить в единицах экспериментально измеренного тензиометрического давления жидкой фазы почвы

 

Потенциал тензометрического давления является суммарной величиной и включает в себя два потенциала: пневматический и капиллярно-сорбционный (ф(. = ф"(. + ф"';).

 

Пневматический потенциал почвенной воды (ф"р) — это приращение потенциала давления (ф.) в результате избытка давления (АРа) в газовой фазе относительно стандартного газового давления Р0.

 

Капиллярно-сорбционный потенциал почвенной воды или матричный потенциал (связанный с геометрией почвенной матрицы),—потенциал давления (ф.) в почвенном образце при данной влажности W и данном механическом давлении ограничивающей его поверхности (Р) при стандартном газовом давлении Р0, т. е. при АРа = 0. Для набухающих почв капиллярно-сорб- ционный потенциал включает в себя потенциал давления ограничивающей поверхности (qfj — приращение потенциала давления (ф.) в результате механического давления поверхности на почвенный образец — и потенциал влажности (ф.) — потенциал давления ftp ) в почвенном образце с данной влажностью W при Р = 0 и Р = 0.

 

Потенциал или давление почвенной воды в сильной степени зависит от водосодержания почвы, причем каждая почва в зависимости от своего гранулометрического, минералогического и химического состава и сложения имеет свою собственную характеристическую кривую зависимости давления почвенной воды от влажности почвы, которая получила название кривой водо- удерживания.

 

Чем меньше воды в почве, тем сильнее она удерживается твердой фазой, тем ниже ее потенциал (больше абсолютное значение отрицательного давления воды). Кривые водоудерживания показывают очень быстрый рост водного потенциала от крайне низких отрицательных значений давления вплоть до нуля в полностью насыщенной водой почве.

 

Наименьший полный потенциал почвенной влаги (наибольшее абсолютное значение отрицательного давления порядка (2 ч- 5)»108 Па) отмечается для монобимолекулярных слоев адсорбированной воды (прочно связанная вода, «нерастворяю- щий объем» — часть гигроскопической воды). При давлении почвенной воды ниже — 2 • 107 Па, согласно И. И. Судницыну, вода в почве практически полностью представлена двойным электрическим слоем мономолекулярной, биомолекулярной толщины, описываемым теорией Гельмгольца, а количество адсорбированной воды определяется удельной поверхностью почвенных частиц при весьма слабой роли обменных катионов.

 

В диапазоне полного давления почвенной влаги от — 4«10бч- -К—105) до —20 • 107 Па весьма резко проявляется влияние обменных катионов на его зависимость от влажности почвы. При этом поведение системы описывается уравнением Больцма- на для концентрации катионов в растворе на различных расстояниях от отрицательно заряженной поверхности твердой фазы в зависимости от влажности. В этих условиях почвенная вода является вместилищем диффузного слоя обменных катионов.

 

При давлениях выше — 2 • I ()'(— I ()') Па кривые водоудерживания начинают выполаживаться, отклоняются в сторону большей влажности. По мнению И. И. Судницына, это вызвано тем, что при этих значениях полного давления вода уже находится за пределами диффузного слоя обменных катионов в электронейтральном «свободном» объеме почвенного раствора, давление которого в основном определяется суммой осмотического и капиллярного потенциалов.

 

При дальнейшем росте влажности почвы все большую роль играет капиллярный потенциал (фк). И. И. Судницын рассчитал по формуле Жюрена зависимость капиллярного давления воды от диаметра капилляров

 

Приведенные расчеты показывают, что с увеличением диаметра почвенных пор находящаяся в них вода теряет капиллярное давление и все больше испытывает воздействие гравитационных сил.

 

Таким образом, относительный вклад частных термодинамических потенциалов почвенной воды в ее полный потенциал существенно меняется с изменением влажности почвы: чем суше почва, тем больше роль адсорбционных и осмотических сил; чем она влажнее, тем больше относительная роль капиллярных и затем гравитационных явлений и тем меньше значение давления, показанного тензиометром.

 

Кривые водоудерживания почв обычно имеют четко выраженную гистерезисную петлю, т. е. имеют несколько различную форму при иссушении и увлажнении одной и той же почвы, что может быть, в частности, связано с различием в последовательности заполнения пор разного размера водой при увлажнении почвы и их освобождения от воды при иссушении: заполняются вначале мелкие поры, а освобождаются от воды первыми крупные.

 

Невыровненность потенциалов почвенной воды в разных точках является непосредственной причиной движения воды в почвах: вода перемещается в сторону наиболее низкого потенциала, в общем случае из более влажных участков в более сухие. Однако вследствие наличия сопротивления среды движению воды движущей силой перемещения почвенной воды служит не разность потенциалов (давлений) воды между двумя точками АР, а градиент АР/А/ вдоль направления движения, что было установлено еще в середине прошлого века в известном законе Дарси для плотности установившегося водного потока в пористой среде.

 

Существует определенная связь почвенно-гидрологических констант с давлением почвенной воды. Например, наименьшей влагоемкости почвы соответствует давление от —104 до —Зх х104 Па, а влажности завядания от —6 • 105 до —2,5 * 106 Па. С изменениями давления почвенной воды в зависимости от влажности меняется и коэффициент влагопроводности почв К в уравнении потока воды в почве (г— — КАР/А/); при изменении влажности почвы от наименьшей влагоемкости до влажности завядания К уменьшается на два порядка (сухая почва обладает худшей влагопроводностью, чем влажная).

 

Установлены эмпирические зависимости водопотребления растений от давления воды в почве, но они весьма сложные и подвержены воздействию множества самых разнообразных факторов, действующих в системе почва — растение — атмосфера. Однако моделирование процессов водопотребления с использованием термодинамической концепции поведения воды в почве представляется весьма перспективным и может быть использовано для управления водным режимом почв.

 

 

К содержанию: Ковда, Розанов: Почвообразование

 

Смотрите также:

 

Химия почвы    Грунтоведение   ЖИДКАЯ ФАЗА ПОЧВЫ почвенный раствор.  Влажность почвы