ХИМИЯ ПОЧВЫ

ЖИДКАЯ ФАЗА ПОЧВЫ или почвенный раствор. Капиллярно-подпертая вода, капиллярно-подвешенная и гравитационная вода

Жидкая фаза, или почвенный раствор, представляет собой наиболее подвижную, изменчивую и в то же время активную часть почвы. Почвенный раствор играет большую роль в почвообразовательных процессах. В почвенном растворе или с его участием происходят процессы разрушения и синтеза органических веществ, вторичных минералов, образования органоминеральных соединений. С передвижением жидкой фазы связано перемещение по почвенному профилю продуктов выветривания и почвообразования.

В то же время именно жидкая фаза является непосредственным источником воды и питательных веществ, которые растения извлекают из почвы; этим определяется важнейшая роль жидкой фазы в питании растений.

Изучение почвенного раствора, его состава и динамики, представляющее большой интерес как с точки зрения характеристики почвенных процессов, так и для выяснения условий жизни растений, встречает значительные затруднения в связи с тем, что жидкая фаза имеет сложную структуру. Физические свойства и химический состав отдельных частей ее неодинаковы.

Это объясняется тем, что вода в почве находится под воздействием различных сил: сил молекулярного притяжения, действующих между молекулами воды; сил молекулярного притяжения, исходящих от твердых почвенных частиц; силы тяжести. Эти силы определяют характер удержания в почве и передвижения в ней воды; в зависимости от условий (количества воды, механического и химического состава твердой фазы, ее структуры) преобладающее значение приобретает та или иная категория сил и соответственно этому различаются состояния или формы воды в почве.

По степени связи воды с твердыми частицами почвы различают связанную и свободную почвенную воду.

Связанная вода удерживается в почве адсорбционными силами, исходящими от твердых частиц. К формам связанной воды относятся гигроскопическая и пленочная влага. Выше (см. стр. 133) указывалось, что гигроскопической называется вода, поглощенная почвенными частицами из водяных паров. Количество ее зависит от условии температуры и давления и достигает максимума при контакте с воздухом, полностью насыщенным влагой (относительная влажность = 100%)

Количество гигроскопической воды в почве, как следует из существа явления, зависит от размера поверхности твердой фазы почвы, т. е. от ее механического состава. Чем выше степень дисперсности твердой фазы, тем больше гигроскопичность почвы ( 42). Наименьшее количество гигроскопической влаги удерживают песчаные почвы, наибольшее — тяжелые глинистые.

Известное значение для величины гигроскопичности почвы имеет состав обменных катионов. Наличие во внешнем слое коллоидов одновалентных катионов (Na+, NH^", К+). дающих с ионами внутреннего слоя более диссоциированные и поэтому более гидратированные соединения, чем двухвалентные и трехвалентные катионы (и Н+), увеличивает гигроскопичность почвы. Однако роль гидратных оболочек обменных катионов, как доказывает А. А. Роде (1952, 1965), второстепенна: количество воды, связанной с этими оболочками, в большинстве случаев невелико по сравнению с общим количеством гигроскопической воды. Первенствующую роль в связывании воды почвой играет гидратация самой поверхности почвенных частиц, а не обменных катионов.

Как уже указывалось выше, гигроскопическая вода под влиянием сил притяжения теряет свою подвижность, уплотняется (плотность ее достигает 1,7) и отличается другими особенностями своих физических свойств: не замерзает вплоть до —78° С, не обладает электропроводностью, не содержит растворенных веществ (нераство- ряющий объем воды). Это последнее свойство адсорбционно-связан- ной воды имеет особо важное значение при изучении почвенного раствора.

Гигроскопическая влага в почве не передвигается; при нагревании почвы до 105° С ее можно удалить в виде пара.

После насыщения почвы влагой за счет водяного пара и достижения максимальной гигроскопичности сила молекулярного притяжения поверхности почвенных частиц еще не полностью израсходована. Если привести такую почву в соприкосновение с жидкой водой, некоторое количество влаги поглощается, увеличивая водные пленки вокруг почвенных частиц. Эта дополнительно поглощенная вода носит название «пленочной» и в отличие от гигроскопической воды удерживается со значительно меньшей силой. Так же, как и гигроскопическая вода, она не передвигается под влиянием силы тяжести, но может переходить от частиц с пленками большей толщины к частицам с пленками меньшей толщины. Частица воды В ( 43) находится ближе к центру почвенной частицы Б, чем к центру частицы А; поэтому частица воды В передвигается в сторону частицы Б.

Особые свойства гигроскопической воды, которые мы отмечали выше, в пленочной влаге ослаблены соответственно меньшим силам притяжения, удерживающим пленочную воду. По мере удаления от поверхности почвенных частиц слои молекул воды все менее ориентированы. Точка замерзания находится в интервале от —78° до —4° С. Пленочная влага имеет пониженную растворяющую способность, повышенную вязкость.

Водные пленки, образуемые гигроскопической и пленочной водой, представляют собой связанную воду в почве; при этом гигроскопическая — прочно связанная вода, а пленочная — рыхло связанная. Прочность связи убывает постепенно по мере удаления от поверхности частицы, поэтому резкой границы между гигроскопической и пленочной влагой нет. Рыхло связанная вода представляет собой категорию влаги весьма трудно доступной растениям.

Наибольшее содержание рыхло связанной воды в почве в 2— 4 раза превышает максимальную гигроскопичность.

Считается, что прочно связанная вода в почве представляет собой «нерастворяющий» объем воды, т. е. не содержащий растворенных веществ; выше отмечалось, что он не обладает электропроводностью. Рыхло связанная вода содержит некоторое количество электролитов, но меньшее, чем свободный раствор, удаленный от почвенных частиц. В этом и состоит явление отрицательной адсорбции, которое мы рассматривали выше (см. стр. 135). Изменение концентрации в водной пленке происходит постепенно (от 0 у самой поверхности твердых частиц до концентрации свободного раствора).

Вода, содержащаяся в почве в несвязанном состоянии, называется свободной; она представлена в виде капиллярной и гравитационной воды.

Капиллярная вода удерживается в почве силами поверхностного натяжения (на поверхностях раздела: твердая фаза почвы — вода; воздух — вода).

Вода, как известно, смачивает поверхность почвенных частиц как минеральных, так и органических; поэтому в почвенных промежутках поверхность воды всегда имеет вогнутую форму и поверхностное давление ее (согласно формуле Лапласа х) меньше нормального, т. е. давления под плоской поверхностью. В связи с этим уровень воды в узких капиллярных промежутках, где явление смачивания особенно резко изменяет форму поверхности и, следовательно, особенно резко снижает поверхностное давление, стоит значительно выше, чем уровень свободной воды, в которую эти трубки опущены (в почвах — грунтовой воды).

В почве капиллярные явления значительно усложнены тем обстоятельством, что здесь нет правильных цилиндрических капилляров. Промежутки между частицами представляют собой мелкие пустоты, которые соединяются канальцами, еще более узкими, чем они сами. Моделью почвенной порозности в большей мере, чем цилиндрические трубки, могут служить четочные капилляры, в которых расширения чередуются с сужениями.

В почве капиллярные явления выражены в очень разнообразных формах. Отметим здесь следующие состояния или категории воды, удерживаемой в почве капиллярными силами.

1. Капиллярно-подпертая вода. В этом случае вода в капиллярах удерживается разностью поверхностных давлений свободной жидкости, в которую опущен капилляр, и верхнего мениска капилляра. Капиллярно-подпертая вода имеет место в нижних горизонтах почв (а чаще в подпочвенных слоях), заполняя капилляры, сообщающиеся с грунтовой водой. В почвах, расположенных в пониженных частях рельефа, капиллярно-подпертая вода может быть близка к поверхности. Зона, в которой имеется капиллярно-подпертая вода и которая располагается выше зеркала грунтовых вод. носит название капиллярной каймы. Высота подъема капиллярной воды над уровнем грунтовых вод зависит от механического состава почв или грунтов: чем выше степень дисперсности почвенных частиц, тем уже просветы капилляров и тем выше столбики удерживающейся в них воды. Однако очень узкие капилляры, целиком занятые лишь сорбционно-связанной влагой, неспособной к передвижению, не участвуют в подъеме капиллярной воды.

Максимальные наблюдаемые в природе высоты капиллярного подъема даже в глинистых почвах и грунтах редко достигают 5—6 м, а обычно не превышают 3—4 м; для почв более легкого механического состава они значительно меньше. При понижении уровня грунтовых вод соответственно снижается и уровень капиллярно- подпертой воды.

Капиллярно-подпертая вода обладает значительной подвижностью. Если в верхней части капиллярной каймы влага расходуется (используется корневой системой растений или испаряется), происходит подъем влаги из слоя грунтовой воды, и расход пополняется. Поэтому если корни растений достигают капиллярной каймы, они не страдают от недостатка влаги.

2. Капиллярно-подвешенная вода удерживается разностью поверхностных давлений верхнего и нижнего менисков капилляров. Она имеет место в верхних слоях почвы и не связана с грунтовыми водами, отделяясь от них сравнительно сухой прослойкой, содержащей лишь связанную воду. Мощность слоя капил- лярно-подвешеннои воды невелика и измеряется сантиметрами или немногими десятками сантиметров.

При накоплении свыше известного предела капиллярно-подвешенная вода стекает вниз. Если капиллярно-подвешенная вода расходуется в верхней части на испарение или поглощается растениями, может произойти ее передвижение кверху. Но при некоторой предельной влажности подвешенная влага теряет свою сплошность и перестает передвигаться к испаряющей поверхности.

В структурных почвах, в которых частички соединены в агрегаты того или иного размера, вода удерживается в форме внутри- агрегатной капиллярно-подвешенной воды. В агрегатах имеются поры разной формы и величины, которые образуют систему канальцев, пронизывающих агрегат. Канальцы частично или полностью заполнены водой; у выходов из канальцев образуются вогнутые мениски. При малых размерах комочков поверхностное давление менисков, направленное внутрь, удерживает воду в комочках ( 44). Так же, как и другие формы капиллярной воды, внутри- агрегатная вода может использоваться растениями и микроорганизмами.

3. Гравитационная вода. Свободная вода, которая может содержаться в почве сверх той, которая удерживается капиллярными силами и соответствует наименьшей влагоемкости, называется гравитационной. Она находится под влиянием силы тяжести и стекает вниз, если ее не задерживает наличие водоупорного слоя. Соответственно этому различают гравитационную воду, просачивающуюся и грунтовую. Просачивающаяся вода появляется в почве после дождя, таяния снега, полива и содержится в почве недолго. Над водоупорным слоем гравитационная вода накапливается, превращаясь в грунтовую.

Гравитационная вода заполняет в почве в основном крупные поры, слишком большие для того, чтобы в них могли проявиться капиллярные явления. Максимальное ее количество определяется разностью между общей и капиллярной порозностью — некапиллярной порозностью (скважностью). В период, когда гравитационной воды нет, некапиллярные поры заполнены воздухом; вытеснение его водой ухудшает условия аэрации почвы. Поэтому избыточное количество гравитационной воды является вредным для растений х.