WWW.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 13 |

«Е.В. Шеин КУРС ФИЗИКИ ПОЧВ Рекомендовано УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебника для ...»

-- [ Страница 4 ] --

Можно считать доказанным, что адсорбированная на поверхности почвенных частиц вода обладает иными свойствами в сравнении с чистой водой: она имеет повышенную плотность, вязкость, понижен ные диэлектрическую проницаемость и способность растворять ве щества, иную структурную организацию. Это совсем другая вода, имеющая значительно более низкую внутреннюю энергию, так как молекулы воды строго ориентированы на поверхности твердой фазы почвы. Именно поэтому при попадании влаги на поверхность абсо лютно сухой почвы выделяется тепло, называемое в почвоведении 2. Формы воды в почве и энергетические константы теплотой смачивания, или теплотой адсорбции, о чем уже шла речь в разделе о дисперсности почв. И первая форма воды, обычно выде ляемая почвоведами, это адсорбированная влага. Отличить эту вла гу от последующих форм влаги можно по многим признакам. Глав ный признак, как было предложено российскими исследователями А.В.Думанским, А.А.Роде и др., связан именно с теплотой адсорб ции: прекращение выделения теплоты адсорбции указывает на изме нение формы воды в почве. Следовательно, область влажностей по чвы, которая характеризуется тем, что при попадании молекул воды на поверхность почвы происходит выделение тепла, это область адсорбированной влаги.

По мере увеличения относительного давления паров воды пос ледующие порции влаги также будут сорбироваться на поверхности почвенных частиц, однако тепла уже при этом будет выделяться зна чительно меньше. На этом этапе теплота адсорбции будет прибли жаться к теплоте конденсации. Поэтому регистрируемого выделе ния тепла не происходит. Нет уже и структурных различий в слоях воды. При более высоких относительных давлениях паров воды на чинается конденсация влаги в самых тонких капиллярах. В целом же адсорбированная влага располагается в диапазоне p/p0 до 0.70.95, впрочем, в самой широкой области давлений паров воды. Отметим уникальное явление: относительное давление паров уже приближает ся к насыщенному, близкому к 1, а влага все еще прочносвязанная, адсорбированная, недоступная. Это означает, что все остальные фор мы воды располагаются в чрезвычайно узкой области давлений па ров воды от 0.95–0.98 до 1. Совсем узкая область, но в ней пред ставлены практически все значимые для функционирования почвы формы воды. Вспомним, что именно в этом диапазоне кривая сорб ции паров воды идет круто вверх, захватывая широкую область зна чений влажностей (ось ординат) (см. рис. IV.3). Все остальные фор мы воды в почве соответствуют этому столь узкому диапазону давлений паров воды. А адсорбированная влага далеко не самая представительная форма воды в почве. Значительно чаще встреча ются в естественных почвах другие, менее связанные с твердой фа зой почвы.

Граничной величиной влажности, соответствующей наибольше му количеству воды, прочносвязанному почвой, является почвенная гидрологическая константа «максимальная адсорбционная вла гоемкость», МАВ. Это то максимальное количество воды, которое удерживается в почве адсорбционными силами.

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

Известно несколько подходов для определения этой величины.

Первый, предложенный А.Ф.Лебедевым, использует физическую кар тину расположения молекул воды около поверхности твердой фазы.

При наступлении величины МАВ резко меняется степень связи молекул воды с поверхностью почвы, меняется плотность воды.

А.Ф.Лебедев поэтому предложил центрифугировать влажный обра зец при 18000 g или сдавливать его прессом при давлении 5560 атм.

Оставшаяся после центрифугирования или механического сдавлива ния в образце влага и будет соответствовать МАВ.

Второй подход основан на ослабленной способности адсорбиро ванной влаги растворять вещества, на такой функциональной особен ности этой формы воды, как снижение растворимости в ней легкора створимых веществ. А.В.Трофимов и А.В.Думанский предложили понятие нерастворяющего объема и процедуры по его определению.

А.В.Трофимов на основании заметно меньшего количества иона Сl в этом объеме адсорбированной влаги, а А.В. Думанский сахаро зы. Смысл процедуры состоит в том, что к почве приливают раствор известной концентрации, смешивают, затем центрифугируют. В цен трифугате концентрация либо Cl–, либо сахарозы будет выше, чем в исходном растворе за счет образования некоторого объема «нера створяющей» влаги, который можно рассчитать. Рассмотрим это на примере использования в качестве поставщика ионов Cl соль CaCl (рис.V.2).

Раствор СaCl2 добавляют к почве, получают пасту, центрифу гируют и определяют концентрацию Cl– в центрифугате.

Обозначим исходную концентрацию С0, полученную растворе нием моль вещества в объеме взятого раствора, V, концентрацию, полученную в центрифугате, Сравн, объем нерастворяющей влаги – Vex. Тогда Исходную и равновесную концентрации мы знаем, знаем и объем взятого раствора. Нетрудно рассчитать из приведенного равенства Vex. Затем как отношение Vex к исходной взятой абсолютно сухой по чве и значение влажности. Эта влажность, по мнению Трофимова и Думанского, будет близка к максимальной адсорбционной влагоем кости, МАВ.

2. Формы воды в почве и энергетические константы Рис. V.2. Определение нерастворяющего объема почвенной влаги, соответствующего влажности максимальной адсорбционной влагоемкости, МАВ (по Трофимову) И, наконец, третий подход определения МАВ уже нам знаком.

Он предложен А.Д.Ворониным, который считал, что влажность при МАВ соответствует влажности, заполняющей внутреннюю поверх ность, совместно с двумя монослоями воды на внешней поверхности частиц WМАВ= Wa + (Wm)e, или WМАВ = Wi + 2(Wm)e. Действительно, по экспериментальным данным ряда авторов (Тарасевич, Овчаренко, 1975 и др.), теплота адсорбции выделяется при формировании двух слоев адсорбированной влаги. Причем при формировании первого слоя выделяется 5570% от суммарной интегральной теплоты смачива ния. Это подтверждает критерий, предложенный А.Д.Ворониным в виде двух слоев на внешней поверхности частиц для выделения МАВ.

Используя этот подход, МАВ можно определить из кривой сорбции паров воды (см. часть IV).

При наступлении величины МАВ закончилось формирование раз дела вода–воздух. Образовалась сплошная по всей поверхности твер дой фазы пленка воды. Мы вступаем в область пленочной влаги. И эта область распространяется от МАВ до появления влаги капиллярной, содержащейся в почвенных капиллярах. Как же определить ту грани цу, которая отделяет пленочную влагу от капиллярно-пленочной?

Были предложены разные подходы. Классическим считается подход А.А.Роде и экспериментальное подтверждение нахождения этой границы в его опытах совместно с М.М.Абрамовой. Их опыты заключались в следующем: они взяли монолиты высотой около 2 м, тщательно пропитали их раствором, содержащим ион Cl в качестве метки передвижения влаги, а затем иссушали поверхность моноли

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

тов. При этом следили за распределением влаги, т.е. контролировали изменение влажности по профилю, за изменением содержания иона Cl в почве (размерность моль/100 г) и содержанием иона Cl в поро вом растворе (размерность показателя моль/л). Результаты их опы та представлены на рис. V.3 а, б, с, на которых приведены распреде ления влажности, концентрации иона Cl в почве и поровом растворе по глубине почвенного монолита в различные сроки определения.

Рис. V.3. Распределение влажности (а), содержания иона Cl в почве (б) и в почвенном растворе (в) в процессе иссушения почвы (по А.А.Роде, 1965):

1 исходное содержание;

2,3,4 последующие сроки определения Что же наиболее характерного можно отметить по представ ленным результатам опытов А.А.Роде и М.М.Абрамовой (рис. V.3)?

В первые сроки от начала испарения влага заметно подпитывалась из нижних слоев, практически компенсируя потери влаги с поверхно сти на испарение. Затем при наступлении некоторой влажности в сред ней части монолита подток влаги в поверхностные слои значительно снизился поверхностные слои начали заметно уменьшать свою влажность, иссушаться. А вот влажность в средней части монолита изменялась мало. Влага в этой области заметно изменила свою под вижность. Она превратилась из капиллярной в малоподвижную пле ночно-капиллярную. Эта граница, по мнению А.А.Роде, соответство вала энергетической константе «максимальной молекулярной влагоемкости» (ММВ), или почвенно-гидрологической константе, ко торая получила, по его предложению, название «влажность разрыва капиллярной связи», или просто «влажность разрыва капилляров»

(ВРК). А.А.Роде является одним из основателей учения о почвенно гидрологических константах в почвоведении (см. «К вопросу о..»).

Отметим, что и в данном эксперименте граница между отдель ными формами влаги была выделена по функциональной роли почвен ной влаги по степени ее подвижности.

Итак, диапазон от МАВ до ММВ представляет собой диапазон пленочной и капиллярно-пленочной слабоподвижной влаги. Следующий энергетический диапазон связан в основном с капиллярной влагой, точ нее, с пленочно-капиллярной и капиллярной, так как в этой области со существуют две формы влаги – преимущественно капиллярная и пле ночная. Сосуществование этих двух форм воды возможно благодаря действию и равновесию сил адсорбционной природы и менисковых сил.

Перетекание пленок от более толстых к более тонким, равновесие тон ких пленок и капилляров можно наблюдать на простой схеме из двух почвенных частиц, окруженных пленками воды – рис.V.4.

Рис. V.4. Равновесие пленочной (выпуклая поверхность) и капиллярной влаги (вогнутый мениск)

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

В этом учебнике имя А.А.Роде упоминается многократно в различных разделах. Это был выдающийся ученый, создатель учения о гидрологии почв, автор нескольких прекрасных монографий и учебников, которые можно чи тать как интересный роман. По воспоминаниям современников, это был блес тящий эрудит, замечательный человек необыкновенной скромности и просто ты. И исключительной научной честности.

Ведь это только в учебниках одна гипотеза плавно дополняет другую, пока не сформируется новая теория или уравнение. В жизни, в научной жиз ни, все не так. Ученые мужи ссорятся, эмоции нередко перехлестывают через край. Страсть и желание доказать «свою» правду пронизывают нередко и научные статьи. Так, если почитать дискуссию А.А.Роде с Н.А.Качинским по поводу определения наименьшей (или, как предлагал Никодим Антонович Качинский, общей) влагоемкости на страницах журнала «Почвоведение», можно было бы предположить, что эти два великих ученых находятся в про тивоположных лагерях и в науке, и в околонаучной жизни. Однако для А.А.Роде истина, порядочность и справедливость были выше всего. Вот эпизод, приве денный Л.О.Карпачевским в книге «Воспоминания об Алексее Андреевиче Роде» (М., 1996). В 50-х годах вышла научно-популярная книга Н.А.Качинс кого «Жизнь почвы». Странно, что эта интересная книга вызвала ряд нарека ний, некоторые почвоведы ее раскритиковали, особенно иллюстрацию в кни ге, где была приведена фотография ковыльной степи, которую рецензенты почему-то назвали луговой. Критике этой книги было даже посвящено особое собрание в Почвенном институте. По поводу этого собрания Л.О.Карпачевс кий вспоминает: «И вдруг на трибуну вышел человек маленького роста, изящ ным внезапным движением поставил перед трибуной большую фотографию ковыльной степи. – «Что это?» спросил он, и зал дружно ответил: «Ковыль ная степь». Тогда А.А.Роде, а это был он, повернулся к Никодиму Антонови чу и сказал: «Вы видите, что Вы правы и все обвинения Вас в разных ошибках такие же надуманные, как это. Поэтому готовьте, Н.А., новое издание Вашей прекрасной книги» (Л.О.Карпачевский, 1996, с.41). Это ли не лучший пример научной принципиальности, мужества и честности!

В тонкой водной пленке возникает давление, которое можно рас считать по уравнению:

где Pz давление в тонкой пленке, z толщина этой пленки, С, n – константы. Исследования передвижения пленок, их сосуществова ния с капиллярами и соответствующие уравнения предложены из 2. Формы воды в почве и энергетические константы вестными российскими физико-химиками, основоположниками уче ния о равновесии в тонких пленках и капиллярах Б.В.Дерягиным, Н.В.Чураевым и известным агрофизиком–теоретиком С.В.Нерпи ным.

А теперь вспомним о давлении влаги в капиллярах, обусловлен ном наличием поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение это работа, которую надо затратить для того, чтобы увеличить по верхность жидкости при сохранении ее объема неизменным. Иногда говорят, что это работа силы по извлечению молекулы воды из объе ма в приграничный слой водавоздух. Отсюда и математические вы ражения:

где – поверхностное натяжение, А – работа по увеличению поверх ности раздела на величину S – площади поверхности, L – длина, а F – сила. Равновесие между капиллярной и пленочной влагой обусловлено равенством давлений в менисках и в пленках воды. В этом случае вода около рассмотренных частиц (рис.V.4) находится в равновесии.

Благодаря наличию поверхностного натяжения, наличию разде ла трех основных фаз почвы и возникают капиллярные явления в по чве. Для того чтобы получить главные математические выражения, вспомним основные понятия молекулярной физики. Вспомним тради ционный стеклянный капилляр, помещенный в чашку с водой, форми рование мениска с кривизной радиусами R1 и R2, вследствие которых под вогнутой поверхностью мениска формируется давление Р1, мень шее, чем над поверхностью свободной воды (Р2 ).

За счет разницы давлений и возникает подъемная сила в капил ляре (Р2-Р1), которая связана с радиусами кривизны менисков по урав нению П.Лапласа:

величина положительна, то мениск вогнут в сторону жидкости, если же отрицательна в сторону газовой фазы. И наконец, еще одно при ближение к «чистой геометрии»: если наш капилляр цилиндрический, то R1=R2 и равно R, а P2 P. Однако до сих пор мы имели де

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

Рис. V.5. Схема подъема воды в стеклянном капилляре (а) и соотношение радиуса мениска и капилляра (б) ло с некоторой трудно измеримой величиной радиусом кривизны мениска. Но ведь ее можно заменить более реальным радиусом са мого капилляра. Действительно, как видно из рис. V.5, б, R = r/cos, и тогда уравнение П.Лапласа будет выглядеть как P P.

И, наконец, разница давлений реализуется в подъеме столба воды плотностью w, на высоту h, т.е. справедливо равенство где g ускорение свободного падения. Тогда высота капиллярного поднятия воды будет составлять Как всегда проверим размерности входящих в уравнение вели чин, используя систему CGS;

в частности, для правой части:

[см][см/с2 ][г/см3 ] [см][см/с 2 ][г/см 3 ] А это именно размерность высоты капиллярного поднятия.

2. Формы воды в почве и энергетические константы Все справедливо. Безусловно, ведь мы получили известное уравне ние Д.Жюрена, связывающее высоту капиллярного поднятия с ради усом капилляров. Это уравнение нередко приводят в более простом виде, принимая плотность воды, ускорение свободного падения, по верхностное натяжение и угол смачивания константными, характер ными для чистой воды и кварца: h 0.15/r. Здесь важно опять-таки напомнить, что высота капиллярного поднятия и радиус капилляра должны быть измерены в одних единицах, например в см.

Уточним важные для дальнейшего рассмотрения итоги вывода уравнения Д.Жюрена.

В этом уравнении высота капиллярного поднятия h приравнивается к перепаду давлений в свободной воде и под мениском P2 – P1. Это пер вое упоминание о том, что вода в почве находится под некоторым давле нием (в данном случае Р1), меньшим атмосферного, за счет менисковых сил. Это очень важно, и этому будет посвящена специальная тема.

Из уравнения Д.Жюрена следует, что чем тоньше капилляр, тем выше должна подняться вода. В самом общем случае это спра ведливо, но справедливо только в определенных пределах, в особен ности, когда дело касается реальных почв. Действительно, наблюде ния показывают, что вода от уровня грунтовых вод поднимается (весьма усредненные данные) в:

супесях до 80120 см;

суглинках до 120350 см;

глинах до 350600 см;

тяжелых глинах до 450 см (заметьте! Высота подъема снижа ется от глин к тяжелым глинам).

Оказывается, формула Д.Жюрена для очень тонких капилляров диаметром менее 10-6 см неприменима. И понятно, почему: все про странство в таких тонких капиллярах занято пленочной и адсорбиро ванной водой. Для капиллярной воды в таких тонких капиллярах про сто нет пространства. Поэтому в тяжелых глинах высота капиллярного подъема может снижаться.

Важно и еще одно. Уравнение Д.Жюрена получено с использо ванием двух очень важных допущений: (1) цилиндрический капилляр и (2) система «чистая водакварц». А именно несоблюдение этих допущений приводит к ряду чрезвычайно интересных и полезных эф фектов в почвах. Например, тот факт, что капилляр в почвах редко бывает цилиндрическим с постоянным диаметром, а чаще бывает переменного диаметра, приводит к интересному эффекту, названно му «жаменовскими цепочками». Рассмотрим это явление подробнее.

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

Со школьных лет нам известны легенды об этих садах как об одном из семи чудес света. Это действительно чудо вырастить тенистые сады в сухой ассирийской пустыне, сады, в которых росли не только финиковые пальмы, но и яблони, груши, косточковые. По одной из легенд, именно в тени этих садов окончил свой жизненный путь великий Александр Маке донский. Как же можно было вырастить эти сады в пустыне, как это «умуд рилась» сделать Семирамида?

Трогательная легенда об этой женщине прошла через многие века.

Семирамида родилась и выросла в многоводном Вавилоне и, наверное, всю жизнь мечтала о садах, воде и тени. Но она стала женой ассирийского царя, в безводной сухой Ассирии. Через некоторое время муж скончался, и она стала регентшей при малолетнем сыне. Энергия, талант этой женщи ны воистину легендарны: она покорила Мидию, Египет. Но однажды, вер нувшись из военного похода, узнала об измене сына, о его заговоре про тив нее. Тогда она сама отдала престол, превратилась в голубя и улетела.

С тех пор голубь самая почитаемая мирная птица.

Однако не военные походы, не эта трогательная легенда сохранили память о Семирамиде, а ее сады. Выживали и росли они в пустыне, воз можно, благодаря капиллярным явлениям, а именно «жаменовским цепоч кам». Вполне вероятно, дело обстояло следующим образом. Перед посад кой садов рабы долго на своих плечах носили глинистую почву из долины Тигра. Эту работу прерывали нередкие в этих местах песчаные бури. Песок осаждался на глинистый грунт, а затем рабы снова продолжали свой труд.

Так образовывалась почва с песчаными прослойками. Эта естественно об разовавшаяся «почвенная конструкция» за счет эффекта «жаменовских»

цепочек не давала воде фильтроваться за пределы корнеобитаемого слоя.

Сады, конечно же, поливали. Но влага не уходила за пределы корнеобита емого слоя, так как «жаменовские цепочки» являлись водоупором. Поэто му влага сохранялась в корнеобитаемой толще, целенаправленно расходу ясь на транспирацию растений. Так и сформировалось одно из чудес света «висячие» сады Семирамиды. А росли они, по этой версии, на капилляр но-подвешенной влаге «жаменовских цепочек».

Впрочем, это явление водонепроницаемых «жаменовских цепочек» по всеместно использовалось и используется. Например, в военные годы с по мощью таких слоистых песчано-глинистых конструкций строили небольшие пруды около аэродромов. Эти пруды были очень просты в постройке и практически не фильтровали воду. С помощью именно такого проема была построена одна из очередей Волго-Балтийского канала. Смею утверждать, что подобные водоудерживающие почвенные конструкции – это ландшафт ные конструкции будущего, в особенности в сухих песчаных районах мира.

У них, безусловно, большое будущее, а возможно, и великое историческое прошлое, запечатленное в висячих садах Семирамиды.

Итак стеклянный капилляр будет иметь более сложную форму, например тонкие отверстия в нем будут чередоваться с утолщения ми. Иначе говоря, капилляр будет иметь переменный диаметр. Вода в таком капилляре при его иссушении будет оставаться только в са мых узких его участках и располагаться отдельными участками «цепочками» по всей длине нашего сложного капилляра (рис. VI.6,а).

Вот эти-то разорванные столбики капиллярной воды в трубке, пере межающиеся воздушными пузырьками в овальных утолщениях (их иногда образно называют «четками»), получили название «жаменов ских цепочек» по имени французского исследователя Жамена (Jamin).

Рис. V. 6. Образование водных менисков в капилляре с переменным диаметром («четочный капилляр», или «жаменовские цепочки» (а)). Водные мениски в таком капилляре способны выдержать повышенное газовое или водное давление за счет изменения кривизны во всех менисках (б) Выдавить воду из такой удивительной трубочки очень тяжело.

Можно попробовать придать дополнительное газовое давление в нее с одного конца. Однако при этом все мениски, обращенные вогнутос тью навстречу воздушному давлению, начнут более заметно проги баться, и менисковые водоудерживающие силы будут еще более воз растать (рис. V.6, б). Вода оказывается «защемленной» в таких «жаменовских цепочках». Можно попробовать добавить сверху в та кой капилляр еще воды, но она не будет в него впитываться, и водное давление выдержат менисковые силы «жаменовских цепочек». По лучается, что такого рода «жаменовские цепочки» могут служить водо- и газонепроницаемым (слабопроницаемым) экраном.

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

Где же в природе можно встретить такие цепочки? Роль оваль ных утолщений в стеклянной трубке способны играть крупные поры в песчаной почве, а тонких капилляров поры глинистой почвы с тонкими капиллярами. Если поочередно уложить слои сухой песча ной и суглинистой почв, то в результате мы получим практически непроницаемую водоупорную систему. Такого рода простую конст рукцию можно использовать для создания дна водоема, канала, для сохранения влаги в песчаной почве. Природа нередко сама создает их, например, в пойменных почвах, в эоловых песках, в которых иног да задерживается немалое количество влаги. Эффект «жаменовских цепочек» используют при создании различного рода почвенных кон струкций, непроницаемых для веществ и воды экранов в почвах, во донакоплении в песчаных почвах засушливых регионов и пр. (см. «К Рис.V.7.Схема распределения капиллярный» (Воронин, 1986).

влажности в колонке почвы, опущенной в свободную воду лажнение почвы, то в почве появит (положение I) и после стекания гравитационной воды при сни- ся новая форма воды гравитаци жении уровня воды до положения онная. Эта вода будет содержаться II. Формирование капиллярной в крупных порах диаметром более (КВ), наименьшей влагоемкости 0.3 мм, в макропорах. Поэтому она (НВ) и водоотдачи 2. Формы воды в почве и энергетические константы ствием гравитационных сил. Как отличить капиллярную влагу, при сущую диапазону ММВМКСВ от капиллярно-гравитационной вла ги? Если почвенную колонку поместить одним концом в воду с уров нем I, то в ее поровом пространстве с порозностью () создастся некоторое распределение влаги (рис.V.7). Над уровнем воды поровое пространство почвы будет содержать как капиллярную, так и грави тационную влагу, которая будет как бы поддерживаться уровнем сво бодной воды. Именно поэтому эту влагу образно называют капил лярно-подпертой. Верхняя граница капиллярно-подпертой влаги будет соответствовать положению капиллярной каймы (КК1). Выше капил лярной каймы, в поровом пространстве почвенной колонке будет со держаться капиллярно-подвешенная влага. Если же мы опустим уро вень воды в поддоне (положение II), то капиллярно-подпертая влага опустится вслед за уровнем воды в нижнюю часть нашей почвенной колонки до положения КК2. Большая же часть порового простран ства почвы будет заполнена капиллярно-подвешенной влагой, кото рая соответствует влажности максимальной капиллярно-сорбцион ной влагоемкости (МКСВ). Влажность почвы в зоне капиллярной каймы соответствует капиллярной влагоемкости (КВ). Значение КВ это «то наибольшее количество подпертой влаги, которое может наблюдаться в почве» (Роде, 1989). Диапазон влаги между капил лярно-подвешенной и капиллярно подпертой влагой, от МКСВ до КВ, представляет собой количество влаги, соответствующее водо отдаче почвы. Однако для практических целей водоотдачу опреде ляют как разность между полной влагоемкостью (ПВ) и максималь ной капиллярно-сорбционной или наименьшей влагоемкостью (НВ).

Если мы снова посмотрим на рис. V.7 с почвенной колонкой, то заметим, что влажность в той части колонки, которая целиком на ходилась в воде, тоже величина постоянная. Она близка к порозно сти почвы, т.е. соответствует состоянию почвенной влаги, когда практически все поры заполнены водой. Эта величина называется полной влагоемкостью, и она теоретически равна порозности, но фак тически всегда меньше. Прежде всего за счет так называемого «защемленного воздуха», за счет выделения газов микроорганиз мами, адсорбированного воздуха на поверхности почвы и пр. Даже если мы попытаемся отобрать весь этот защемленный воздух, на пример вакуумируя образец, величины полной влагоемкости и по розности не сравняются. Приблизятся друг к другу, но не сравня ются. В суглинистых почвах эта разница может достигать 312% к объему почвы. На рис. V.7 значения порозности почвы ( ) и полной влагоемкости (ПВ) также различаются.

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

Если же сравнить распределение влаги по колонке в зависимос ти от положения уровня воды (положения I и II), совершенно отчетливо видно, что эти распределения различны и зависят от положения уров ня свободной воды. Эта зависимость распределения влаги в почве от уровня свободной воды, а в природных условиях от уровня грун товых вод носит название динамической влагоемкости. В этом на звании определением «динамическая» подчеркивается зависимость влагоемкости почвы от положения уровня грунтовых вод, а не зави симость этой величины от времени. Динамическая влагоемкость это максимальное количество влаги в почве, которая определяется положением уровня грунтовых вод: чем выше расположен уровень свободной воды в профиле почвы, тем выше величина динамической влагоемкости. Таким образом, понятие динамическая влагоемкость применимо лишь для почв с близким в пределах почвенного профиля уровнем грунтовых вод, наличием верховодки, плохо фильтрующих прослоек, т.е для почв, в которых представлен изменяющийся по глу бине уровень свободной влаги.

Итак, подводя итог изучению форм воды в почве и соответству ющих граничных (между формами) состояний энергетических кон стант, можно сформировать такую итоговую таблицу.

Формы воды в почве и соответствующие энергетические константы Форма воды Максимальное содержа- Теоретическое определение в почве ние (влагоемкость) дан- константы (по Лебедеву, 1936, Адсорбиро- Максимальная адсорбци- МАВ – наибольшее количество ванная влага онная влагоемкость воды, которое может быть Пленочная Максимальная молеку- ММВ – максимальное количе влага лярная влагоемкость ство воды, удерживаемое в поч Пленочно- Максимальная капилляр- МКСВ – влажность почвы, при капиллярная но-сорбционная влагоем- которой происходит смена ка Капилляр- Капиллярная влагоем- КВ – максимальное количество Гравитаци- Полная влагоемкость ПВ – влажность, соответст Все указанные константы явились во многом плодом теорети ческих рассуждений о формах воды в почве. Основой разделения почвенной влаги на отдельные формы послужили функциональные особенности той или иной влаги в почве. Вспомните способность ра створять вещества (МАВ) или резко изменять свою подвижность и способность переносить ионы (ММВ). Однако эти размышления и эксперименты позволили обосновать и ряд других констант, которые нашли очень широкое применение в практическом почвоведении, ме лиорации, гидрологии и других отраслях. Эти константы получили название почвенно-гидрологических.

3. Почвенно-гидрологические константы Почвенно-гидрологические константы это некоторые ха рактерные для каждой почвы значения влажности, которые исполь зуют при практических расчетах и сравнительных оценках. Большин ство этих констант возникли из практических потребностей и лишь впоследствии стал ясен их физический смысл. Поэтому дадим пока лишь определения каждой, так же как и при знакомстве с влагоемко стями, следуя от самой маленькой (по значению влажности) до пол ной влагоемкости.

Гигроскопическая влажность (ГВ, Wг) влажность почвы, свойственная образцу в атмосфере лаборатории. Относительная влажность воздуха (или относительное давление паров воды) в лабо ратории величина хоть и заметно колеблющаяся, но не сильно из меняющая ГВ. Действительно, посмотрим на кривую сорбции воды почвой (см. рис IV.3). В области от 20 до 6080% она обычно идет параллельно оси относительных давлений паров (р/p0). Это значит, что влажность не изменяется, она почти константна. Указанный диа пазон это влажность воздуха в помещении, поэтому и ГВ дей ствительно почвенно-гидрологическая константа. Она нужна для рас чета массы абсолютно-сухой навески (mа-с) по данным о массе воздушно-сухой (т.е. в атмосфере лаборатории, mв-с) навески:

ma-c = mв-с /(Wг+1), если Wг выражена в [г/г] или ma-c = mв-с·100/(Wг+100) при использовании выражения W в %.

Максимальная гигроскопическая влажность (МГ, Wмг) влаж ность почвы при нахождении ее в атмосфере с относительной влаж ностью 98%. Это максимальное количество, которое почва способна сорбировать из близкого к насыщенному парами воды воздуха.

Влажность устойчивого завядания, или просто влажность за вядания (ВЗ, Wвз), влажность почвы, при которой появляются ус

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

Рис. V.8. Определение влажности завядания методом вегетационных миниатюр тойчивые признаки увядания растений с хорошо развитой корневой системой, не исчезающие при помещении растений на 12 часов в ат мосферу, насыщенную парами воды. Эта величина определяется ме тодом вегетационных миниатюр, когда растения (как правило, ячмень или овес, впрочем, в США принят подсолнечник) выращивают в не больших стаканчиках емкостью около 100 см3 до стадии третьего листа (рис. V.8). Поверхность почвы прикрывают от испарения пес ком и парафином и прекращают их полив. Когда обнаруживаются при знаки завядания, растения ставят на ночь во влажную камеру. И если после нахождения во влажной атмосфере потеря тургора будет замет на, это означает, что в почве достигнута влажность, соответствую щая ВЗ (более подробно см. А.Ф.Вадюнина, З.А.Корчагина, 1986).

Влажность разрыва капиллярной связи, или просто влажность разрыва капилляров (ВРК, Wврк), уже знакомая нам константа, пред ложенная А.А.Роде и М.М.Абрамовой, которая соответствует мак симальной молекулярной влагоемкости, ММВ. Общепринятых лабо раторных экспериментальных методов определения этой величины не существует;

имеются лишь полевые методы ее исследования, ана логичные опытам, проведенным А.А.Роде и М.М.Абрамовой. Эта почвенно-гидрологическая константа весьма важна. Она характеризу ет заметное уменьшение подвижности почвенной влаги, когда почвен ная капиллярная влага уже не представляет собой единой гидравли ческой связи, а распадается на отдельные капилляры и остается в виде пленок. Движение воды, ее доступность для растений резко сни жаются. И хотя общепринятых методов определения ее нет, иногда эту величину считают близкой к 70% от наименьшей влагоемкости для суглинистых почв, а для песчаных и супесчаных около 5060% от НВ.

Наименьшая влагоемкость (НВ, Wнв) (синонимы: общая вла гоемкость, по Н.А.Качинскому, полевая влагоемкость, предельная по левая влагоемкость) наибольшее количество влаги, которую почва способна удерживать капиллярными силами после свободного сте кания гравитационной влаги. Это очень важная характеристика, ука зывающая на водоудерживающую способность почвы. Величина эта имеет огромное практическое значение, по ней производят полив ра стений, ориентируют нормы осушения и проч. Заметим, что по опре делению она очень напоминает приведенную ранее теоретическую константу - максимальную капиллярно-сорбционную влагоемкость.

Наименьшая влагоемкость (НВ) это установившаяся после стека ния избытка воды влажность предварительно насыщенной почвы, до стигается, как правило, через 23 дня после интенсивного дождя или полива хорошо дренируемой гомогенной почвы. Такое определение, диктующее способ экспериментального определения этой величины, подчеркивает несколько очень важных моментов:

НВ определяется только в условиях хорошего дренажа, для автоморфных почв;

НВ определяется только для почв с гомогенным профилем, в котором нет чередования слоев с различным гранулометрическим составом, плотности и проч., т.е. не может возникнуть капиллярно подпертой воды или верховодки;

не могут создастся эффекты «жа меновских цепочек»;

НВ определяется в почвах в тот момент, когда оканчивается стекание избытка воды. Под «избытком» обычно понимают грави тационное стекание.

Эти условия ограничивают экспериментальное определение НВ, строго соответствующее теоретическому определению. Более того, возникают и еще некоторые вопросы, в частности, почему определять влажность через 2–3 дня? Для суглинистых почв этот факт доказан опытным путем. Действительно, через 2–3 дня прекращается грави тационное стекание, хотя другие формы воды продолжают передви гаться вниз под действием гравитационных сил. Можно считать, что это общепризнанный, практически важный факт, который принят на ос новании почвенно-гидрологический и мелиоративной практики.

Существует некоторое правило (далеко не всегда соблюдающе еся!) о соотношении величин влажностей, соответствующих почвен но-гидрологическим константам. Соотношение следующее:

ПВ:НВ:ВРК:ВЗ:МГ=1:0.5:0.35:0.25:0.05. Это правило (очень важно!) можно применять лишь для ориентации в величинах почвенно-гидро логических констант, но оно неприменимо для количественных

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

расчетов. Основой для нахождения величин почвенно-гидрологичес ких констант является их экспериментальное определение.

Почвенно-гидрологические константы Гигроскопическая влажность (ГВ) – влажность почвы, соот ветствующая относительному давлению паров воды в лаборатор ных условиях. Соответствует влажности воздушно-сухой почвы.

Максимальная гигроскопическая влажность (МГ) влаж ность почвы, устанавливающаяся при помещении почвы в ат мосферу с относительной влажностью воздуха 98%.

Влажность завядания растений (ВЗ) влажность почвы, при которой растения не могут брать воду из почвы и, теряя тургор, необратимо (даже при помещении в насыщенную парами воды атмосферу) завядают.

Влажность разрыва капиллярной связи (ВРК) влажность почвы, при которой подвижность влаги в процессе снижения влаж ности резко уменьшается. Находится в интервале влажностей между наименьшей влагоемкостью и влажностью устойчивого завядания растений.

Наименьшая влагоемкость (НВ) это установившаяся пос ле стекания избытка воды влажность предварительно насыщен ной почвы;

достигается, как правило, через 23 дня после ин тенсивного дождя или полива хорошо дренируемой гомогенной почвы;

НВ это наибольшее количество влаги, которое почва в природном залегании может удержать в неподвижном или прак тически неподвижном состоянии после обильного или искусст венного увлажнения и стекания влаги при глубоком залегании грунтовых вод (капиллярно-подвешенная влага).

Капиллярная влагоемкость (КВ) количество влаги в по чве, удерживаемое капиллярными силами в зоне капиллярной каймы грунтовых вод (капиллярно-подпертая влага).

Полная влагоемкость (водовместимость, ПВ) наиболь шее количество воды, содержащееся в почве при полном запол нении всех пор и пустот, за исключением занятых «защемлен ным» и адсорбированным воздухом.

Многие из почвенно-гидрологических констант совпадают с при веденными выше энергетическими. Вернемся к нашему ряду влаж ностей от абсолютно сухой почвы до полностью заполненной водой (водовместимость), приведенному в начале данной главы (рис. V.1).

Нанесем на нем энергетические и соответствующие почвен но-гидрологические константы. Их соответствие можно отразить на следующей схеме-таблице (табл. V.2):

Формы воды, энергетические и почвенно-гидрологические константы уменьшение степени связи воды с твердой фазой почвы Форма связи Подвиж- неподвиж- слабо- подвиж- подвиж- свобод адсорбиро- пленочная пленочно- капилляр- гравита Механизм удержива дер-Ваальса) молекуляр- сорбцион ния (физиче ская приро- химические ные да сил) Природные иссушения ческого (более подперто- надмерз (ПВНВ) диапазон подвижной влаги. Указывает на количе ство воды, которое может стечь при наличии свободного стока из рассматриваемой почвенной толщи.

(ПВНВ) или (ПВдинамическая влагоемкость) водоотдача.

Эта количественная характеристика, отражающая количество воды, вытекающее из почвенного слоя при понижении уровня грунтовых вод от верхней до нижней границы этого слоя (см. рис.V.7). Если уро вень грунтовых вод опустился заметно ниже рассматриваемой по чвенной толщи, то для расчета водоотдачи используют разницу меж ду ПВ и НВ. Если же уровень остался в пределах рассматриваемой

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

толщи, то между ПВ и динамической влагоемкостью, т.е. учитыва ют распределение влажности в капиллярной кайме грунтовых вод.

(НВВЗ) диапазон доступной (продуктивной) влаги. Для раз личных почв диапазон, указывающий на количество доступной для растений влаги, может быть различным, например в песчаных по чвах он может достигать 68%, а в суглинистых 1217%. Поэтому говорят, что суглинистые почвы содержат больше продуктивной влаги, чем песчаные. Тяжелосуглинистые почвы будут содержать большее количество влаги, чем средне- и легкосуглинистые. А вот в глинах, и тем более в тяжелых глинах, доступной влаги может быть меньше, чем в средне- и тяжелосуглинистых почвах. В глинах стремительно возрастает количество связанной воды, больше увеличивается ВЗ, чем растет НВ. Поэтому зависимость количества доступной влаги от классов по гранулометрическому составу (рис. V.9) имеет макси мум, приходящийся на средне-, тяжелосуглинистые почвы.

Следует, конечно, отметить, что приведенная на рис. V.9 зави симость это лишь отражение общей тенденции. Эта зависимость может существенно меняться при изменении минералогического со става, структуры почвы.

(НВВРК) диапазон легкоподвижной, легкодоступной для ра стений влаги. Это наиболее эффективная часть той продуктивной вла ги, которая характеризуется диапазоном (НВВЗ). Иногда этот диа пазон заменяют другим (НВ70%НВ). Этот диапазон влажности Рис. V. 9. Содержание доступной для растений влаги (ДДВ, %) для различных классов почв по гранулометрическому составу следует поддерживать в корнеобитаемом слое, чтобы избежать не продуктивных потерь влаги на стекание ее в нижележащие слои и в то же время способствовать наиболее эффективной работе фотосин тетического аппарата растений.

Характерные величины гидрологических констант для основных групп почв по гранулометрии можно найти в разделе «Справочные материалы».

4. Методы определения влажности почвы 4.1. Прямые методы: термостатно-весовой Термостатно-весовой метод является основным методом определения влажности почвы. Образец почвы, влажность которого необходимо определить, помещают в предварительно взвешенную тер мостойкую тару (стеклянный бюкс, алюминиевый стаканчик), взве шивают. Ставят на 6 часов в термостат при 105 °С. Вынимают, осту жают и снова взвешивают. По определенным массам тары (mt), влажной почвы с тарой (mw+mt) и сухой почвы с тарой (ms+mt) рас считывают влажность почвы:

Это стандартный метод определения влажности в большинстве почв и для многих других природных объектов. При его использова нии особое внимание следует уделить определению массы тары, так как неточности в ее определении приводят к наибольшим ошибкам в величинах влажности.

Подчеркнем: термостатно-весовой метод это стандартный ме тод определения влажности. Он используется в качестве основного при калибровке различных приборов и устройств для определения влажности почвы другими методами.

К косвенным методам определения влажности почвы от носят методы, в которых влажность регистрируется по изменению какого-либо свойства почвы (или какого-либо материала, находяще гося в равновесии с почвой), связанного с влажностью. Все косвен ные методы требуют предварительной калибровки (тарировки) при бора, причем именно в той почве, в которой планируется проводить определения влажности. Точность и надежность получения тариро вочной кривой зависимости изменения свойства от влажности определяют возможность и диапазон использования этого метода.

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

Рис. V.10. Схема нейтронного влагомера Нейтронная влагометрия В методе нейтронной влагометрии используют свойство быст рых нейтронов резко замедлять свою скорость при столкновении с атомами легких элементов (Н, Не, Li, Be и др). В почве среди ука занного набора элементов присутствует в основном ион водорода в составе воды. Поэтому и количество нейтронов с медленной скорос тью (медленных нейтронов) будет увеличиваться пропорционально увеличению содержания воды в почвы. Надо только иметь стандар тный источник быстрых нейтронов (а это, как правило, радий-берил лий или америций-бериллий), счетчик медленных нейтронов и полу чить тарировочную зависимость влажности от скорости счета медленных нейтронов. Технически все эти условия реализованы в ней тронном влагомере, схема которого представлена на рис.V.10.

В нейтронном влагомере быстрые нейтроны, выделяемые из ис точника, поступают в окружающую почву, часть их сталкивается с ионами водорода. Замедляя скорость, они поступают в счетчик мед ленных нейтронов. Он определяет скорость поступления медленных нейтронов. Обычно источник и счетчик расположены в одном блоке, который опускается в скважину, оборудованную алюминиевой тру бой. Само устройство для измерения скорости счета расположено на поверхности. Общий вид зависимости влажности от скорости счета имеет вид:

где объемная влажность [см3/см3], f – скорость счета медлен ных нейтронов [импульс/мин], а и b эмпирические константы, кото рые определяют на основании специального тарировочного экспери мента, в котором одновременно и многократно определяются пары значений влажность (термостатно-весовым методом) скорость сче та (нейтронным влагомером).

Особенности метода Зона определения усредненной влажности представляет собой сферу с диаметром около 20 см. Форма сферы, ее диаметр могут изменяться в зависимости от используемого устройства, влажности и некоторых других свойств почвы. Во влажной почве диаметр зоны измерения влаж ности составляет 10–15 см, в сухой до 25–30 см (см. рис. V.10) Определяется объемная влажность почвы. Для набухающих почв (а практически все почвы в той или иной степени набухают) следует учесть связь весовой влажности и плотности при получении тариро вочной кривой.

Ограничения применимости метода в засоленных почвах. В этих почвах, как правило, имеются ионы Cl, Br, которые, как и ион Н, спо собны замедлять быстрые нейтроны.

Диэлькометрия Диэлектрическая проницаемость дисперсной среды определя ется ее составляющими. Диэлектрическая проницаемость почв скла дывается из диэлектрических проницаемостей твердой части почвы (колеблется от 2 до 10), почвенного воздуха (около 1) и воды (81).

Совершенно ясно, что основной вклад в изменение диэлектрической проницаемости почвы будет внесен изменением влажности. Поэто му наблюдения за диэлектрической проницаемостью почв позволя ют следить за динамикой ее влажности. Требуется, как и во всех косвенных методах, тарировочная кривая зависимость диэлектри ческой проницаемости от объемной влажности.

Имеется ряд подходов и соответствующих средств для опреде ления влажности по диэлектрической проницаемости. Можно изме рять электрическую емкость, основной переменной которой в дан

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

ном случае является диэлектрическая проницаемость. Техническое решение состоит в том, что два провода определенной длины поме щают в почву на необходимую глубину при строго фиксированном расстоянии между проводами. Измеряют электрическую емкость с помощью традиционных диэлькометров. Синхронно с определения ми емкости определяют влажность весовым методом в нескольких точках по протяжению помещенных в почву проводов. Получают тарировочную зависимость емкость объемная влажность, с помо щью которой при последующих измерениях емкости можно опреде лять объемную влажность. Используя этот метод, определяют сред невзвешенную влажность по длине установленных в почве проводов.

Такого рода подходы удобны при оценке влажности в какой-либо теп личной гряде, в буртах дисперсного материала и пр.

Другим решением для определения влажности почвы по диэль кометрической проницаемости служит метод импульсной диэлькомет рии (син. «диэлькометрия во временной области», «TDR - Time Domain Reflectometry»). Этот метод весьма широко распространен. Сущность его состоит в том, что скорость прохождения электромагнитного сиг нала (v) определяется диэлектрической проницаемостью среды ():

где с скорость света. Следовательно, для измерения диэлектри ческой проницаемости почвы необходимо знать величину скорости прохождения электромагнитной волны. Для этого и используют спе циальные приборы, схематическое устройство которых представле но на рис.V.11. Импульсный генератор дает импульс электромагнит ной волны, который регистрируется как ступенька на осциллографе.

Далее волна достигает датчика, помещенного в почву. Это обычно металлические стержни определенной длины l. Волна проходит по стержню до конца и отражается обратно. Пройдя по всей длине дат чика до конца и обратно, она снова регистрируется на осциллографе.

По этим двум сигналам на осциллографе нетрудно определить время прохождения волны (t). В результате известны длина датчика, через который проходит электромагнитный импульс (l), и время его про хождения (t), а диэлектрическую проницаемость нетрудно рассчи тать из приведенной выше формулы, учитывая, что v получим (удвоенная длина датчика в формулах вполне понятна сигнал прошел до конца датчика и обратно).

Особенности метода Определяется объемная влажность почвы. Так же, как в слу чае нейтронной влагометрии, следует учесть связь весовой влажно сти и плотности при получении тарировочной кривой.

Зона определения влажности – весьма небольшая вблизи дат чиков.

Метод импульсной влагометрии регистрирует и состояние вла ги, поэтому его можно использовать для оценки содержания льда, мерзлых прослоев и пр.

Гипсовые блоки Эта группа методов основана на изменении свойства тела-по средника, которое находится в контакте с почвой. Например, если пористый материал (гипс, керамика, ткань и пр.) хорошо контактиру ет с почвой, имеет хороший гидравлический контакт с ней, то изме нения влажности почвы будут приводить и к изменению влажности Рис. V.11. Схема измерения диэлькометрии почв импульсным методом («time-domain reflectometry»)

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

тела-посредника. А измерить его влажность можно, например, по элек тропроводности. Известно, что электропроводность пористых тел оп ределяется в основном содержанием порового раствора (влажнос тью), его минерализацией и химическим составом. Последние два фактора лишь «помехи» в определении влажности. Для того чтобы их устранить, было предложено делать тело-посредник из гипса, ко торый формирует хороший пористый материал, прекрасно контакти рующий с почвой, а поровый раствор внутри этого гипсового тела посредника всегда насыщен ионами Ca и SO4, тем самым «забуферен»

в отношении других солей. Это позволяет, измеряя электропровод ность гипсового тела-посредника (гипсового блока), оценивать влаж ность контактирующей с блоком почвы, но только при наличии тари ровочной кривой для данного гипсового блока и почвенного слоя. Этот метод известен за рубежом как «блок Боюкоса» по имени известно го американского физика почв Джорджа Боюкоса (George J.Bouyoucos, 18901981). Широко известны его работы по исполь зованию ареометрического метода в гранулометрическом анализе почв (1927) и по гипсовым блокам (1947).

На рис. V.12. представлена схема такого гипсового блока.

По оси гипсового блока, имеющего цилиндрическую или кубичес кую форму, расположены два электрода, выполненные из неполя ризующегося (или слабополяризующегося) металла. Этот блок по мещается в почву, через некоторое время устанавливается равновесие между влагой в блоке и почве. Измеряя электропро водность блока, которая изменяется в соответствии с влажнос тью окружающей почвы, можно судить о влажности почвы. Тре электроды к измерителю сопротивления Рис. V.12. Схема гипсового блока (блока но см.: А.И.Поздняков и др., Буйякоса) Материалом для блока не обязательно может быть гипс. Были предложены и опробованы различные вещества или композиции: ней лоновая ткань, ткань с ионообменными веществами, керамические материалы с ионообменными смолами и др. Однако принцип во всех этих случаях оставался аналогичным описанному выше.

Особенности метода Гипсовые блоки обладают гистерезисом, т.е. кривые «электро проводность блокавлажность почвы» различаются для условий ув лажнения и иссушения. Это дополнительная трудность в использова нии гипсовых блоков.

В определенных условиях (при низких значениях рН почвы, ин тенсивном влагообмене и пр.) гипс может несколько изменять свою пористую структуру, что влечет за собой и изменение тарировочной кривой. Поэтому необходима регулярная тарировка этих устройств.

Измерения сопротивления необходимо проводить на перемен ном (высокочастотном) токе или с использованием 4-электродной схемы.

Гаммаскопический метод Этот метод основан на закономерном ослаблении потока гам ма-излучения при увеличении влажности почвы. Как и метод нейт ронной влагометрии, он обязательно включает источник и прием ник гамма-излучения и требует обязательного учета изменения плотности при изменении влажности. Этот метод представляет опас ность для здоровья, поэтому используется в специальных экспери ментах, но не в широкой практике влагометрии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Вода в почве представлена различными формами, отличаю щимися по степени связи ее с твердой фазой почвы. Выделя ют адсорбированную, пленочную, пленочно-капиллярную, ка пиллярную и свободную. Граничные состояния между формами воды характеризуются энергетическими константа ми или влагоемкостями, т.е. влажностями при максимальном количестве соответствующей формы воды: максимальной адсорбционной влагоемкостью (МАВ), максимально молеку лярной влагоемкостью (ММВ), максимальной капиллярно-сор бционной влагоемкостью (МКСВ), капиллярной влагоемкос тью и полной влагоемкостью.

Ч. V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ

2. Область капиллярной влаги наиболее важный диапазон при оценке состояния и передвижения влаги. Для почвенных ка пилляров используют уравнение Жюрена, связывающее вы соту капиллярного поднятия h с радиусом капилляра r: h 0.15/r. Знак указывает, что в почве нередко можно наблю дать отклонения от указанной формулы вследствие наличия поверхностно-активных (инактивных) веществ, отсутствия идеальных цилиндрических капилляров. Поэтому говорят об эффективном радиусе капилляра.

3. В почвенной гидрологии выделяют семь почвенно-гидроло гических констант общеупотребительных характеристичес ких значений влажности, используемых в практических рас четах и указывающих на доступность, подвижность влаги. Это гигроскопическая влажность (ГВ), максимальная гигроскопи ческая (МГ), влажность завядания растений (ВЗ), влажность разрыва капилляров (ВРК), наименьшая (НВ) или предельно полевая (синоним НВ: ППВ) влагоемкость и водовмести мость. Величины ММВ соответствуют ВРК, МКСВ НВ, а полная влагоемкость и водовместимость идентичные поня 4. Использование почвенно-гидрологических констант позволя ет выделить следующие диапазоны почвенной влаги, которые могут быть представлены в виде запасов влаги (в мм, см или м водного слоя) или просто в процентах:

диапазон доступной (продуктивной) влаги ДДВ=НВ ВЗ;

диапазон гравитационной влаги ГВ=ПВ НВ;

водоотдачу почвы, равную разности ПВ НВ, а в случае ко лебания уровня грунтовых вод в профиле почвы: ПВ дина мическая влагоемкость.

5. Основным, стандартным методом определения влажности по чвы является термостатно-весовой. Это метод прямого оп ределения влажности;

другие (нейтронометрический, диэль кометрический, импульсной диэлькометрии или диэлькометрии во временной области TDR и др.) требуют специальной про цедуры тарировки для нахождения достоверной зависимости влажности почвы от изучаемого сигнала для каждого почвен ного объекта (слоя, горизонта и пр.).

А б р а м о в а М. М. Передвижение воды в почве при испарении. //Тр.Почв.

ин-та им. В.В.Докучаева. Т.41. М.: Изд-во АН СССР, 1953.

В а д ю н и н а А. Ф., К о р ч а г и н а З. А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986.

системах. М.: Химия, 1989. 288 с.

З а й д е л ь м а н Ф. Р. Изучение физических свойств почв на объектах осушения. М.: Ленгипроводхоз, 1988.

электрические поля в почвах. М., 1996.

Р о д е А. А. Основы учения о почвенной влаге. Т.1. Л.: Гидрометеоиздат, 1965.

Р о д е А. А. Основы учения о почвенной влаге. Т.2. Л.: Гидрометеоиздат. 1989.

Р о д е А. А. Почвенная влага. М.: Изд-во АН СССР, 1952.

Т а р а с е в и ч Ю. И.. О в ч а р е н к о Ф. Д. Адсорбция на глинистых минералах.

Киев: Наукова думка, 1975. 352 с.

Ш е и н Е. В., К а п и н о с В. А. Сборник задач по физике почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994.

ДАВЛЕНИЕ (ПОТЕНЦИАЛ)

ВЛАГИ В ПОЧВЕ

1. Понятие о капиллярно-сорбционном (матричном) давлении влаги в почве Как мы уже знаем, на воду в почве действуют различные силы. Обычно в почве есть вода прочносвязанная, расположенная близко к поверхности почвенных частиц. Она находится под действием сорбционных сил твердой фазы почвы. Вода, находящаяся в почвен ных капиллярах различного размера, также не свободна. На поверх ности раздела твердая фаза почвы вода воздух (как и на любой поверхности раздела фаз) возникают силы преимущественно сорб ционной природы, приводящие к понижению свободной энергии воды.

Именно эти силы формируют кривизну поверхности воды в капилля ре, тем большую, чем тоньше капилляр. Если задаться вопросом, почему вода в капилляре и в ненасыщенной почве вообще имеет дав ление ниже, чем давление в свободной воде, то можно предложить следующее качественное объяснение на молекулярном уровне.

Молекулярный механизм давления жидкости или газа обуслов лен кинетической энергией всех молекул в определенном объеме. Если энергия каждой из молекул больше, то и давление выше. И наоборот.

Что происходит с молекулами чистой воды, которые попадают в по чву или в тонкий стеклянный капилляр (вспомним схему воды в ка пилляре, приведенную на рис.V.5)? Они попадают в сферу действия капиллярных и сорбционных сил твердой фазы почвы и снижают свою энергию, становятся менее подвижными, более связанными. Следо вательно, удельная энергия такой влаги (ее давление) будет меньше, чем свободной воды, поэтому вода в тонком капилляре имеет, как правило, давление меньше, чем в свободной воде. Этот перепад дав лений вызовет поднятие воды на некоторую высоту h, которую мож но измерить в виде высоты воды в капилляре в метрах или санти метрах водного столба. Хотя эти единицы выражения давления являются внесистемными, они нередко применяются в физике, осо 1. Понятие о капиллярно-сорбционном (матричном) давлении влаги в почве бенно в физике почв, что очень удобно при различных расчетах. Итак, получается, что вода в капилляре находится не в свободном состоя нии, а отличается от него за счет действия капиллярных (или лапла совых) сил на некоторую величину давления, которая вызывает подъем влаги в капиллярах. При контакте почвы (напомним, капил лярно-пористого тела) с водой именно это давление вызывает быст рое заполнение почвенных капилляров. Образно говоря, происходит поглощение, «всасывание» почвой свободной воды, отчего давление, вызывающее это всасывание, иногда называют «всасывающим». Бо лее строго говорить о капиллярно-сорбционном, или матричном (от «матрицы» твердой фазы почвы), давлении влаги, тем самым подчеркивая его природу. Также весьма важно иметь в виду, что это давление имеет отрицательный знак действительно вода в капил лярах имеет более низкий уровень давления, чем в свободной воде.

Давление в свободной чистой воде принимается за ноль.

В связи с таким выбором нулевого уровня следует более подробно остановиться на знаках величины давления. В большинстве природных ситуаций давление влаги в почве отрицательная величина. Давление почвенной влаги равно нулю только в случае, если вся почва заполнена чистой водой, т.е. в состоянии полной влагоемкости, и находится на нулевом уровне (уровне моря), но такое состояние бывает в почве нечасто. Как правило, почва не насыщена влагой, всегда в почве присутствует воздух, имеются малые, но кривизны поверхности менисков. Следовательно, вода имеет энергию и давление меньше нуля, и когда мы будем говорить о реальных величинах давления влаги в почве, следует всегда помнить, что эта величина отрицательная.

Впрочем, не слишком удобно работать с отрицательными величинами, вести расчеты и представлять физическую картину со сплошными отрицательными знаками. Поэтому нередко в литературе, даже в научной, можно встретить положительные значения давления влаги в почве. Авторы, например, указывают, что «давление влаги в почве составляло 10 кПа». Но нужно понимать, что речь идет о ненасыщенной почве с отрицательным давлением влаги 10 кПа. Абсолютные значения давлений влаги (нередко без специальных указаний, часто под названием «сосущая сила почвы» или «всасывающее давление») употребляются в литературе. Но более строго использовать значения давления влаги с учетом знака, т.е. от нуля (насыщенная влагой почва) и ниже (не насыщенная влагой почва). В дальнейшем будем использовать термин «давление», единицы давления (см водн.ст.) с учетом знака, а в специальных случаях, если необходимо, будем делать оговорку: «по абсолютной величине».

Ч. VI. ДАВЛЕНИЕ (ПОТЕНЦИАЛ) ВЛАГИ В ПОЧВЕ

Рис.VI.1. Схема измерения отрицательной величины давления влаги в почве О том, что в почвенной влаге действительно развивается отри цательное давление (разрежение), можно судить по такому экспери менту. Создадим прибор, представляющий собой трубку, на одном конце которой находится вакуумметр, а на другом тонкопористая, т.е. с очень тонкими капиллярами, пластинка (рис. VI.1).

Все соединения этого простого прибора сделаем герметичными.

Заполним его водой. Вакуумметр показывает 0, в приборе чистая вода.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 13 |
 




Похожие материалы:

«Раздел 1. КОРМЛЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ И ТЕХНОЛОГИЯ КОРМОВ УДК 636.4.084 СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ РОССЫПНЫХ КОМБИКОРМОВ ДЛЯ СВИНОМАТОК А.А. ХОЧЕНКОВ РУП Научно-практический центр НАН Беларуси по животноводству г. Жодино, Минская обл., Республика Беларусь, 222160 (Поступила в редакцию 20.12.2009) Введение. Современная комбикормовая промышленность Беларуси для кормления свиноматок выпускает как россыпные, так и гранули рованные комбикорма. Обе формы комбикормов имеют свои достоин ства и ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ АССОЦИАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ (АИСТ) СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Москва 2013 УДК 631.3-048.24 ББК 40.72 С 75 Под общ. ред. председателя ассоциации испытателей сельскохозяйственной техники и технологий (АИСТ) В.М. Пронина Авторы: П.И. Бурак, В.М.Пронин, В.А.Прокопенко, А.А.Медведев, Т.Б. Микая, С.Н. Киселев, М.Н.Жердев, Г.А.Жидков, В.И.Масловский, В.В.Конюхов, Л.В.Колодин, ...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОЛЖСКИЙ ГУМАНИТАРНЫЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ВОЛГУ А.С. Акишин, М.М. Подколзин, А.С. Акишин Земельные ресурсы России и Волгоградской области и формирование новой аг- ропродовольственной политики (2005—2012 годы) Учебное пособие ВОЛГОГРАДСКОЕ НАУЧНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО 2008 338.43 УДКУДК ББК 65.32-51+65.281 А39 Научный редактор д-р с.-х. наук, проф. Л.И. Сергиенко [ВГИ (филиал) ВолГУ] Рецензенты: д-р экон. наук, проф. ...»

«И.Г. Крымская Гигиена и экология человека Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту (третьего поколения) Среднее профессиональное образование И. Г. К р ы м ск ая ГИ ГИ Е Н А И ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛО ВЕКА Учебное пособие Рекомендовано Международной Академией науки и практической организации производства в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования Издание 2-е, стереотипное Ростов-на-Дону Феникс 2012 УДК ...»

«Вы – свет мира Евангелие от Матфея, глава 5, стих 14 И, зажегши свечу, не ставят ее под сосудом, но на подсвечнике, и светит всем в доме. Евангелие от Матфея, глава 5, стих 15 Книга издана при поддержке Благотворительного фонда “Під покровом Богородиці”. Вы – свет мира Очерки жизни Владимира Леонидовича Бандурова Запорожье 2013 УДК 63(477.64)(092)Бандуров В. Л. ББК 65.9(4 Укр–4 Зап 5 Пол)32-03д В 92 Вы – свет мира. Очерки жизни Владимира Леони В 92 довича Бандурова / Н. Кузьменко, В. Манжура, ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Министерство сельского хозяйства и продовольстия Свердловской области ФГБОУ ВПО Уральская государственная сельскохозяйственная академия XIII МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО–ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ, АСПИРАНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ МОЛОДЕЖЬ И НАУКА 2011 Участие молодых ученых в реализации Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008–2012 годы ...»

«Министерство Природных Ресурсов Федеральная служба по надзору в сфере природопользования Государственный природный заповедник Полистовский УДК Утверждаю: Директор заповедника Регистрационный № _ Яблоков М.С. Инвентарный № __2009 г. Тема: Динамика явлений и процессов в природном комплексе заповедника ЛЕТОПИСЬ ПРИРОДЫ Книга 9 2008 год Стр. Ст. научный сотрудник Черевичко А.В. Карт. Фото Диагр. 30 мая 2009 г. СОДЕРЖАНИЕ Территория заповедника 1. Пробные и учётные площади, ключевые участки, ...»

«Министерство Природных Ресурсов Федеральная служба по надзору в сфере природопользования Государственный природный заповедник Полистовский УДК Утверждаю: Директор заповедника Регистрационный № _ Яблоков М.С. Инвентарный № __2008 г. Тема: Динамика явлений и процессов в природном комплексе заповедника ЛЕТОПИСЬ ПРИРОДЫ Книга 8 2007 год Стр. 124 Ст. научный сотр. Ларионова С.Ю. Карт. Фото Диагр. 2 12 декабря 2008 г. СОДЕРЖАНИЕ Территория заповедника 1. Пробные и учётные площади, ключевые участки, ...»

«Министерство Природных Ресурсов Федеральная служба по надзору в сфере природопользования Государственный природный заповедник Полистовский УДК Утверждаю: Директор заповедника Регистрационный № _ Яблоков М.С. Инвентарный № __2008 г. Тема: Динамика явлений и процессов в природном комплексе заповедника ЛЕТОПИСЬ ПРИРОДЫ Книга 7 2006 год Стр. 111 Ст. научный сотр. Ларионова С.Ю. Карт. Фото Диагр. 6 8 февраля 2008 г. СОДЕРЖАНИЕ Территория заповедника 1. Пробные и учётные площади, ключевые участки, ...»

«Министерство Природных Ресурсов Федеральная служба по надзору в сфере природопользования Государственный природный заповедник Полистовский УДК Утверждаю _ Яблоков М.С. Регистрационный № Директор заповедника Инвентарный № _2007 г. Тема: Динамика явлений и процессов в природном комплексе заповедника ЛЕТОПИСЬ ПРИРОДЫ Книга 5 2004 год Стр. 211 Ст. научный сотр. Ларионова С.Ю. Карт. 2 Фото 1 Диагр. 25 21 ноября 2007 г. СОДЕРЖАНИЕ Территория заповедника 1. Пробные и учётные площади, ключевые участки, ...»

«Институт экономической политики имени Е.Т. Гайдара Научные труды № 142Р Н. Шагайда Оборот сельскохозяйственных земель в России: трансформация институтов и практика Москва Институт Гайдара 2010 УДК 338.43:[332.7:631.1](470+571) ББK 65.32(2Рос)-511 Ш15 Шагайда, Наталья Ивановна Оборот сельскохозяйственных земель в России: трансформация ин ститутов и практика / Шагайда Н.И. – М.: Ин-т Гайдара, 2010. – 332 с. (Научные труды / Ин-т экон. политики им. Е.Т. Гайдара; № 142Р). – ISBN 978-5-93255-295-7. ...»

«Б.В. Ерофеев ЗЕМЕЛЬНОЕ ПРАВО РОССИИ Учебник 9-е издание, переработанное Ответственный редактор — главный научный сотрудник Института государства и права РАН, доктор юридических наук, профессор Н.И. Краснов Москва Юрайт 2004 УДК 34 ББК 67.407я73 Е78 Ерофеев Борис Владимирович — доктор юридических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор Московской государственной юридической академии, академик Рос сийской экологической академии Ерофеев Б.В. Е78 Земельное право России: Учеб. / Отв. ред. Н.И. ...»

«АКАДЕМИЯ НАУК СССР УРАЛЬСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР Институт экологии растений и животных Н.Г. СМИРНОВ, В.Н. БОЛЬШАКОВ, А.В.БОРОДИН ПЛЕЙСТОЦЕНОВЫЕ ГРЫЗУНЫ СЕВЕРА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ Ответственный редактор доктор биологических наук Л.Н. ДОБРИНСКИЙ НАУКА 1986 УДК 569.32 + 56.11 + 599.32 ВВЕДЕНИЕ С м и р н о в Н.Г., Б о л ь ш а к о в В.Н., Б о р о д и н А.В. Плейстоценовые грызуны Севера Западной Сибири. М.: Наука, 1986. Работа о четвертичной истории грызунов Севера Западной Сибири выхо­ Книга посвящена ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пензенская государственная сельскохозяйственная академия ВКЛАД МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ В ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ АПК РОССИИ Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 60-летию ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА ТОМ I Пенза 2011 Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное ...»

«Владимир Век СТРУКТУРА МАТЕРИИ В РАМКАХ КОНЦЕПЦИИ МАКРО-МИКРОБЕСКОНЕЧНОСТИ МИРА Монография Пермь, 2011 УДК 1 ББК 87.2 В 26 Рецензенты: Доктор философских наук С.Н. Некрасов, заведующий кафедрой философии Уральской государственной сельскохозяйственной академии, профессор Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина Кандидат физико-математических наук С.А. Курапов, ведущий научный сотрудник ЗАО Уральский проект Кандидат технических наук В.Р. Терровере, старший ...»

«1 Васюганское болото природные условия, структура и функционирова- ние Томск 2003 2 Российская Академия Сельскохозяйственных Наук Сибирское отделение Сибирский научно-исследовательский институт торфа Russian Academy of Agricultural Science Siberian Institute of Peat Васюганское болото природные условия, структура и функционирование Vasyugan Bog nature conditions, structure and functioning Под общей редакцией чл.корр. РАСХН Инишевой Л.И. Under the general direction of Prof. Dr. L.I. Inisheva ...»

«П. П. Власов, М. В. Орлова, Н. В. Тарасенков Краткий курс экологии Министерство науки и образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт – Петербургский государственный университет технологии и дизайна Кафедра инженерной химии и промышленной экологии П. П. Власов, М. В. Орлова, Н. В. Тарасенков Краткий курс экологии Утверждено Редакционно-издательским советом Университета в качестве учебного пособия Санкт-Петербург 2010 УДК ...»

«Институт МГУ имени Государственный фундаментальных М.В. Ломоносова биологический музей проблем биологии РАН имени К.А. Тимирязева БИОСФЕРА–ПОЧВЫ–ЧЕЛОВЕЧЕСТВО: УСТОЙЧИВОСТЬ И РАЗВИТИЕ Материалы Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию профессора А.Н. Тюрюканова (Москва, 14–16 марта 2011 г.) Москва – 2011 УДК 574 ББК 20.1 С 53 БИОСФЕРА–ПОЧВЫ–ЧЕЛОВЕЧЕСТВО: УСТОЙЧИВОСТЬ И РАЗВИТИЕ: Материалы Всероссийской научной конференции, посвя щенной 80-летию профессора А.Н. Тюрюканова / Отв. ...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК _ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РАСТЕНИЕВОДСТВА имени Н. И. ВАВИЛОВА (ВИР) ТРУДЫ ПО ПРИКЛАДНОЙ БОТАНИКЕ, ГЕНЕТИКЕ И СЕЛЕКЦИИ том 173 Редакционная коллегия Д-р биол. наук, проф. Н. И. Дзюбенко (председатель), д-р биол. наук О. П. Митрофанова (зам. председателя), канд. с.-х. наук Н. П. Лоскутова (секретарь), д-р биол. наук С. М. Алексанян, д-р биол. наук И. Н. Анисимова, д-р биол. наук Н. Б. Брач, д-р с.-х. наук, проф. В. И. Буренин, ...»






 
© 2013 www.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.