Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Удельнаяповерхность[м2/г] свойство,характеризующеедисперсность почвы и состояние поверхности почвенных частиц.

Различают полную удельную поверхность (Sпол), внутреннюю (Si) и внешнюю (Se ): Sпол= Si + Se . Внутренняя поверхность это поверхность микротрещин, микрокаверн, микровпадин

впочвенных частицах. Внешняя отражает формучастиц, образуетсяпослезаполнения внутреннейповерхностичастиц.

2.Удельнаяповерхностьпочвенныхчастицопределяется,какправило, по кривой зависимости равновесной влажности почвы от давления паров воды равновесной кривой сорбции. Так как в этом случае на величину удельной поверхности оказываютвлияниеиразмерымолекулыводы,иформаихупаковкинаповерхности,следуетговоритьобэффективной(поотношению к воде) удельной поверхности почвы.

3.Расчет полной удельной поверхности производится на основании уравнения полимолекулярной адсорбции, уравнения БЭТ,

вобласти величин относительных давлений от 0.05 до 0.35. Внешняя удельная поверхность рассчитывается по уравнению Фаррера для относительных давлений паров воды 0.4 0.8.

4.Данныеповеличинеудельнойповерхностихарактеризуютпрежде всего дисперсность почвы. Совместно с данными по гранулометрическому составу почвы величины удельной поверхности могут характеризовать минералогический состав почвы, составпоглощенныхкатионов,гидрофильностьпочвенныхкомпонентов (органического вещества, солей и пр.).

Литература

Адамсон А.Физическаяхимияповерхности.М.: Мир,1979.568с.

Воронин А.Д.Структурно-функциональнаягидрофизикапочв.М.:Изд-во Моск.ун-та,1984.204с.

Воронин А.Д.Основыфизикипочв.М.:Изд-воМоск.ун-та,1986.244с. Д е р я г и н Б. В., Ч ур а е в Н. В., О в ч а р е н к о Ф. Д. Вода в дисперсных системах.М.:Химия,1989.288с.

Кульчицкий Л.И.Рольводывформированиисвойствглинистыхпород.

М.:Недра,1975.212с.

«Полевые илабораторные методыисследования физическихсвойствпочв» /Подред.Е.В.Шеина.М.:Изд-воМоск.ун-та,2001.

Существует еще одна очень важная форма выражения влаги в виде запасов влаги (ЗВ) в конкретном слое почвы:

пользуется она в основном для характеристики запасов влаги, балансовых расчетов, для выражения всех составляющих водного баланса в одних единицах.

Спомощьюуказанныхтрехспособоввыражениявлажностипочвы всегда можно рассчитать количество воды в почве, приходные и расходные статьи водного баланса почвы. Но для оценки состояния влаги, ее подвижности, ее доступности для растений этого недостаточно (существует образное выражение «Вода в почве это совсем не то же самое, что вода в ведре»). Вода в почве представлена различнымиформами,характеризующимисяпреждевсегоразличнойстепенью связи воды с твердой фазой почвы. Это тоже одна из специальныхгипотезвфизикепочв учениеоформахводывпочве,которое формировалосьвосновномврамкахотечественнойфизикипочв.Такие известные российские физики почв, как А.А.Роде, С.И.Долгов, Н.А.Качинскийнеоднократновспециальныхэкспериментахдоказывали, что вода в почве при различном ее содержании (влажности) далеко не равнозначна по своим свойствам. Более того, одно и то же влагосодержание (влажность) в различных почвах может быть совершенно различно по подвижности, по доступности для растений. Например, известно, что влажность почвы равна 15% к массе почвы. Из песчаного почвенного образца с такой влажностью вода может свободно вытекать и будет доступна растениям, но на тяжелосуглинистой или глинистой почве при такой влажности растения уже не смогут расти они будут засыхать. Получается, что абсолютнаявеличинавлажностибезсопутствующихзнанийодругихфундаментальных свойствах почв дает ограниченную информацию. В связи с этим было развито учение о формах воды в почве как о различных состояниях воды в почве, отличающихся по скорости ее передвижениявпочве,возможностипотреблениярастениямиидругим функциональнымхарактеристикампочвеннойвлаги.

Если расположить все значения влажности, встречающиеся в любой почве на некоторой оси от абсолютно сухой почвы до предельно высокой влажности, когда все поровое пространство почвы заполнено водой, то можно выделить прочносвязанную, неподвиж-

ную,затемсвязанную,слабоподвижнуюввидетонкихпленокнаповерхностичастиц,затемподвижную влагу,находящуюсявосновном вкапиллярах,и,наконец,свободнуювлагу,котораядвижетсяподдействием сил тяжести. Эти качественные определения характеризуют различные формы воды в почве по ее степени связи с твердой фазой

(рис.V.1).

Рис. V.1. Схема разделения форм воды в почве по степени связи с твердой фазой

Такиеразмышленияпобудилифизиковпочврассмотретьграницы, где происходит превращение одной формы в другую. Если такая граница существует, значит мы имеем дело со специфической влажностью, характеризующей переход из одной формы воды в другую. Эту влажность принято было называть влагоемкостью, подчеркивая тем самым, что почвенная емкость в виде части порового пространства заполнена водой с близкими свойствами. Именно такие граничные влажности или влагоемкости было предложено назвать энергетическимиконстантами,полагая,чтоприкаждойвеличиневлагоемкостивлагаудерживаетсясиламиопределеннойприродыиэнергии ихарактеризуетсяопределеннойформойсвоегосуществования.Тогда, зная такого рода энергетические константы, можно определять степень связи влаги с почвой, характеризовать ее доступность для растений, оценивать многие процессы переноса воды и веществ в почве.Впоследствиикэтимтеоретическимэнергетическимконстантам были приближены и почвенно-гидрологические константы некоторые влажности в почве на оси влажности, использующиеся как реперные точки для различного рода расчетов и качественных представлений. Попытаемся вслед за великими физиками почв А.А.Роде, С.И.Долговым, А.Ф.Лебедевым, Н.А.Качинским и др. проникнутьвсмыслэнергетических ипочвенно-гидрологическихконстант, ихэкспериментальногоопределенияииспользования.

Влажность(весовая) количествоводы, приходящеесянаединицу веса абсолютно сухой почвы.

Влажность (объемная) количество воды, приходящееся на единицу объема абсолютно сухой почвы.

Влагоемкость – максимальное количество воды, удерживаемоевпочвесиламиопределеннойприроды.Влагоемкость влажность, соответствующая максимальному количеству той или иной формы воды в почве. Эти энергетические константы указываютна состояние(подвижность, доступность,степень связи с твердой фазой) влаги в почве.

Почвенно-гидрологическая константа характерная влаж-

ность почвы, определяемая по ее состоянию или по состоянию контактирующих с почвой объектов и используемая в практи- ческихпочвенно-физических,гидрологических,мелиоративных расчетах. Она может быть равна или отличаться по значению от влагоемкости.

2. Формы воды в почве и энергетические константы

Начнем с самой связанной, прочно сорбированной на поверхности твердых частиц влаги адсорбированной. Эта влага образуется в случае, если поверхность твердой фазы почвы контактируетспарамиводы,обладающиминизкимотносительнымдавлением. Напомним,чтопарциальноедавлениепаровводывнасыщеннойвлагой атмосфере (р0) составляет 17.5 мм рт.ст. (24 см водн.ст.), а относительное давление паров воды (p/p0) равно 1. Если же атмосфера не насыщена парами воды, то относительное давление паров воды будет менее 1. Почва способна адсорбировать молекулы воды ужеприотносительныхдавлениях,близкихк0,извесьмасухоговоздуха. Поэтому, образно говоря, естественная почва всегда влажная ведь адсорбированная влага в ней содержится практически всегда.

Итак, адсорбированной эта влага названа потому, что концентрированиеводыосуществляетсянаповерхноститвердойфазы.Иногда эту влагу называют сорбированной (отметим, что сорбция это концентрирование веществана однойизфазгетерогенной системы). Можно считать доказанным, что адсорбированная на поверхности почвенных частиц вода обладает иными свойствами в сравнении с чистойводой:онаимеетповышеннуюплотность,вязкость,пониженные диэлектрическую проницаемость и способность растворять вещества, 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 абсолютно сухой почвы выделяется тепло, называемое в почвоведении

теплотой смачивания, или теплотой адсорбции, о чем уже шла речь в разделе о дисперсности почв. И первая форма воды, обычно выделяемаяпочвоведами, этоадсорбированнаявлага.Отличитьэтувлагу от последующих форм влаги можно по многим признакам. Главный признак, как было предложено российскими исследователями А.В.Думанским, А.А.Роде и др., связан именно с теплотой адсорбции:прекращениевыделениятеплотыадсорбцииуказываетнаизменение формы воды в почве. Следовательно, область влажностей почвы, которая характеризуется тем, что при попадании молекул воды на поверхность почвы происходит выделение тепла, это область адсорбированнойвлаги.

По мере увеличения относительного давления паров воды последующие порции влаги также будут сорбироваться на поверхности почвенных частиц, однако тепла уже при этом будет выделяться значительно меньше. На этом этапе теплота адсорбции будет приближаться к теплоте конденсации. Поэтому регистрируемого выделения тепла не происходит. Нет уже и структурных различий в слоях воды. При более высоких относительных давлениях паров воды начинается конденсациявлаги всамых тонкихкапиллярах. Вцелом же адсорбированная влага располагается в диапазоне p/p0 до 0.7 0.95, впрочем, в самой широкой области давлений паров воды. Отметим уникальноеявление:относительноедавлениепаровужеприближается к насыщенному, близкому к 1, а влага все еще прочносвязанная, адсорбированная,недоступная.Этоозначает,чтовсеостальныеформы воды располагаются в чрезвычайно узкой области давлений паров воды от 0.95–0.98 до 1. Совсем узкая область, но в ней представлены практически все значимые для функционирования почвы формы воды. Вспомним, что именно в этом диапазоне кривая сорбции паров воды идет круто вверх, захватывая широкую область значений влажностей (ось ординат) (см. рис. IV.3). Все остальные формы воды в почве соответствуют этому столь узкому диапазону давлений паров воды. А адсорбированная влага далеко не самая представительная форма воды в почве. Значительно чаще встречаются в естественных почвах другие, менее связанные с твердой фазой почвы.

Граничнойвеличинойвлажности,соответствующейнаибольшему количеству воды, прочносвязанному почвой, является почвенная гидрологическая константа «максимальная адсорбционная вла-

гоемкость», МАВ. Это то максимальное количество воды, которое удерживается в почве адсорбционными силами.

Известно несколько подходов для определения этой величины. Первый,предложенныйА.Ф.Лебедевым,используетфизическуюкартину 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 образецпри18000gилисдавливать егопрессомпридавлении55 60атм. Оставшаяся послецентрифугирования илимеханического сдавливания в образце влага и будет соответствовать МАВ.

Второйподходоснованнаослабленнойспособностиадсорбированнойвлагирастворятьвещества,натакойфункциональнойособенности этой формы воды, как снижение растворимости в ней легкорастворимых веществ. А.В.Трофимов и А.В.Думанский предложили понятиенерастворяющегообъемаипроцедурыпоегоопределению. А.В.Трофимов наоснованиизаметно меньшегоколичестваионаСl в этом объеме адсорбированной влаги, а А.В. Думанский сахарозы. Смысл процедуры состоит в том, что к почве приливают раствор известной концентрации, смешивают,затем центрифугируют. В центрифугате концентрация либо Cl–, либо сахарозы будет выше, чем в исходном растворе за счет образования некоторого объема «нерастворяющей» влаги, который можно рассчитать. Рассмотрим это на примере использования в качестве поставщика ионов Cl соль CaCl2

(рис.V.2).

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

Обозначим исходную концентрацию С0, полученную растворением моль вещества в объеме взятого раствора, V, концентрацию, полученную в центрифугате, Сравн, объем нерастворяющей влаги – Vex. Тогда

Исходнуюиравновеснуюконцентрациимызнаем,знаемиобъем взятого раствора. Нетрудно рассчитать из приведенного равенства Vex. Затем как отношение Vex к исходной взятой абсолютно сухой почве и значение влажности. Эта влажность, по мнению Трофимова и Думанского, будет близка к максимальной адсорбционной влагоемкости, МАВ.

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 поверхность,совместносдвумямонослоямиводынавнешнейповерхности

частиц WМАВ= Wa +(Wm)e , илиWМАВ = Wi +2(Wm)e . Действительно,по экспериментальным данным ряда авторов (Тарасевич, Овчаренко,

1975 и др.), теплота адсорбции выделяется при формировании двух слоевадсорбированнойвлаги.Причемприформированиипервогослоя выделяется 55 70% от суммарной интегральной теплоты смачивания. Это подтверждает критерий, предложенный А.Д.Ворониным в видедвухслоевнавнешнейповерхностичастицдлявыделенияМАВ. Используя этот подход, МАВ можно определить из кривой сорбции паров воды (см. часть IV).

ПринаступлениивеличиныМАВзакончилосьформированиераздела вода–воздух. Образовалась сплошная по всей поверхности твердойфазыпленкаводы.Мывступаемвобластьпленочнойвлаги.Иэта область распространяется от МАВ до появления влаги капиллярной, содержащейся в почвенных капиллярах. Как же определить ту грани- цу,котораяотделяетпленочнуювлагуоткапиллярно-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-

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 поровом растворе (размерность показателя моль/л). Результаты их опыта представлены на рис. V.3 а, б, с, на которых приведены распределения влажности, концентрации иона Cl в почве и поровом растворе поглубинепочвенногомонолитавразличныесрокиопределения.

в

Cl- в почвенном растворе, моль/л

1

23

4

глубина

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 представленным результатам опытов А.А.Роде и М.М.Абрамовой (рис. V.3)? В первые сроки от начала испарения влага заметно подпитывалась изнижнихслоев,практическикомпенсируяпотеривлагисповерхностинаиспарение.Затемпринаступлениинекоторойвлажностивсреднейчасти монолитаподтоквлаги вповерхностные слоизначительно 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 подвижность. Она превратилась из капиллярной вмалоподвижную пле- ночно-капиллярную.Этаграница,помнениюА.А.Роде,соответство- вала энергетической константе «максимальной молекулярной влагоемкости»(ММВ),илипочвенно-гидрологическойконстанте,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 почвенногидрологических константах в почвоведении (см.«Квопросу о..»).

Отметим, что и в данном эксперименте граница между отдельнымиформамивлагибылавыделенапофункциональнойролипочвенной влаги по степени ее подвижности.

Итак, диапазон от МАВ до ММВ представляет собой диапазон пленочнойикапиллярно-пленочнойслабоподвижнойвлаги.Следующий энергетическийдиапазонсвязанвосновномскапиллярнойвлагой,точ- нее,спленочно-капиллярнойикапиллярной,таккаквэтойобластисо- существуют две формы влаги– преимущественно капиллярная и пленочная. Сосуществование этих двух форм воды возможно благодаря действиюиравновесиюсиладсорбционнойприродыименисковыхсил. Перетеканиепленокотболеетолстыхкболеетонким,равновесиетонких 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)