Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

чашечка с водой

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 атмосферу, насыщенную парами воды. Эта величина определяется методомвегетационныхминиатюр,когдарастения(какправило,ячмень или овес, впрочем, в США принят подсолнечник) выращивают в небольших стаканчиках емкостью около 100 см3 до стадии третьего листа (рис. V.8). Поверхность почвы прикрывают от испарения пескомипарафиномипрекращаютихполив.Когдаобнаруживаютсяпризнаки завядания, растения ставят на ночь во влажную камеру. И если после нахождения во влажной атмосфере потеря тургора будет заметна, это означает, что в почве достигнута влажность, соответствующая ВЗ (более подробно см. А.Ф.Вадюнина, З.А.Корчагина, 1986).

Влажность разрыва капиллярной связи, или просто влажность разрывакапилляров(ВРК,Wврк), ужезнакомаянамконстанта,предложенная А.А.Роде и М.М.Абрамовой, которая соответствует максимальноймолекулярнойвлагоемкости,ММВ.Общепринятыхлабораторных экспериментальных методов определения этой величины несуществует;имеютсялишьполевые методыееисследования,аналогичные опытам, проведенным А.А.Роде и М.М.Абрамовой. Эта почвенно-гидрологическаяконстантавесьмаважна.Онахарактеризу- етзаметноеуменьшениеподвижностипочвеннойвлаги,когдапочвенная капиллярная влага уже не представляет собой единой гидравлической связи, а распадается на отдельные капилляры и остается в видепленок.Движениеводы,еедоступностьдлярастенийрезкоснижаются. 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 50 60% от НВ.

Наименьшая влагоемкость (НВ, Wнв) (синонимы: общая вла-

гоемкость,поН.А.Качинскому,полеваявлагоемкость,предельнаяполевая влагоемкость) наибольшее количество влаги, которую почва способна удерживать капиллярными силами после свободного стеканиягравитационнойвлаги.Этооченьважнаяхарактеристика,указывающая на водоудерживающую способность почвы. Величина эта имеет огромное практическое значение,по ней производят полив растений,ориентируютнормыосушенияипроч.Заметим,чтопоопределению она очень напоминает приведенную ранее теоретическую константу - максимальную капиллярно-сорбционную влагоемкость. Наименьшая влагоемкость (НВ) это установившаяся после стеканияизбыткаводывлажностьпредварительнонасыщеннойпочвы,достигается,какправило,через2 3дняпослеинтенсивногодождяили полива хорошо дренируемой гомогенной почвы. Такое определение, диктующееспособэкспериментальногоопределенияэтойвеличины, подчеркивает несколько очень важных моментов:

НВ определяется только в условиях хорошего дренажа, для автоморфныхпочв;

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 капиллярноподпертой воды или верховодки; не могут создастся эффекты «жаменовскихцепочек»;

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

Эти условия ограничиваютэкспериментальное определение НВ, строго соответствующее теоретическому определению. Более того, возникаютиещенекоторые вопросы,вчастности, почемуопределять влажность через 2–3 дня? Для суглинистых почв этот факт доказан опытным путем. Действительно, через 2–3 дня прекращается гравитационное стекание, хотя другие формы воды продолжают передвигаться вниз под действием гравитационных сил. Можно считать, что этообщепризнанный,практическиважныйфакт,которыйпринятнаос- нованиипочвенно-гидрологическийимелиоративнойпрактики.

Существует некоторое правило (далеко не всегда соблюдающееся!)осоотношениивеличинвлажностей,соответствующихпочвен- но-гидрологическим константам. Соотношение следующее: ПВ:НВ:ВРК:ВЗ:МГ=1:0.5:0.35:0.25:0.05. Этоправило(оченьважно!) можноприменятьлишьдляориентацииввеличинахпочвенно-гидро- логических констант, но оно неприменимо для количественных

расчетов.Основойдлянахождениявеличинпочвенно-гидрологичес- ких констант является их экспериментальное определение.

Почвенно-гидрологические константы

Гигроскопическая влажность (ГВ) – влажность почвы, соот-

ветствующаяотносительномудавлениюпаровводывлабораторных условиях. Соответствует влажности воздушно-сухой почвы.

Максимальная гигроскопическая влажность (МГ) влаж-

ность почвы, устанавливающаяся при помещении почвы в атмосферу 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,прикоторойподвижностьвлагивпроцессеснижениявлажности резко уменьшается. Находится в интервале влажностей между наименьшей влагоемкостью и влажностью устойчивого завядания растений.

Наименьшая влагоемкость (НВ) это установившаяся пос-

лестеканияизбыткаводывлажностьпредварительнонасыщенной почвы; достигается, как правило, через 2 3 дня после интенсивного дождя илиполива хорошо дренируемой гомогенной почвы; НВ это наибольшее количество влаги, которое почва в природномзалеганииможетудержатьвнеподвижномилипрактически неподвижном состоянии после обильного или искусственного увлажнения и стекания влаги при глубоком залегании грунтовыхвод(капиллярно-подвешеннаявлага).

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 заполнении всех пор и пустот, за исключением занятых «защемленным» и адсорбированным воздухом.

Многиеизпочвенно-гидрологическихконстантсовпадаютспри- веденными выше энергетическими. Вернемся к нашему ряду влажностей от абсолютно сухойпочвы до полностью заполненнойводой (водовместимость), приведенномув началеданной главы (рис.V.1).

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

(НВ ВЗ) диапазон доступной (продуктивной) влаги. Для различных почв диапазон, указывающий на количество доступной для растений влаги, может быть различным, например в песчаных почвах он может достигать 6 8%, а в суглинистых 12 17%. Поэтому говорят,чтосуглинистыепочвысодержатбольшепродуктивнойвлаги, 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 максимум, приходящийся на средне-, тяжелосуглинистые почвы.

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

(НВ ВРК) диапазон легкоподвижной, легкодоступной для растенийвлаги.Этонаиболееэффективнаячастьтойпродуктивнойвлаги, которая характеризуется диапазоном (НВ ВЗ). Иногда этот диапазон 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 непродуктивных потерь влаги на стекание ее в нижележащие слои и в то же время способствовать наиболее эффективной работе фотосинтетического аппарата растений.

Характерныевеличиныгидрологическихконстантдляосновных 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 необходимоопределить,помещаютвпредварительновзвешеннуютермостойкую тару (стеклянный бюкс, алюминиевый стаканчик), взвешивают. Ставят на 6 часов в термостат при 105 °С. Вынимают, остужают и снова взвешивают. По определенным массам тары (mt), влажной почвы с тарой (mw+mt) и сухой почвы с тарой (ms+mt) рассчитывают влажность почвы:

W (mw mt ) (ms mt ) . (ms mt ) mt

Это стандартный метод определения влажности в большинстве почв и для многих других природных объектов. При его использовании особое внимание следует уделить определению массы тары, так какнеточностивееопределенииприводяткнаибольшимошибкамв величинахвлажности.

Подчеркнем: термостатно-весовойметод этостандартныйметод определения влажности. Он используется в качестве основного при калибровке различных приборов и устройств для определения влажности почвы другими методами.

4.2.Косвенные методы

Ккосвенным методам определения влажности почвы от-

носят методы, в которых влажность регистрируется по изменению какого-либо свойства почвы (или какого-либо материала, находящегося в равновесии с почвой), связанного с влажностью. Все косвенные методы требуют предварительной калибровки (тарировки) прибора, причем именно в той почве, в которой планируется проводить определения влажности. Точность и надежность получения тарировочной кривой зависимости изменения свойства от влажности определяют возможность и диапазон использования этого метода.

Рис. V.10. Схема нейтронного влагомера

Нейтронная влагометрия

Вметоде нейтронной влагометрии используют свойство быстрых нейтронов резко замедлять свою скорость при столкновении с атомами легких элементов (Н, Не, Li, Be и др). В почве среди указанного набора элементов присутствует в основном ион водорода в составе воды. Поэтому и количество нейтронов с медленной скоростью (медленных нейтронов) будет увеличиваться пропорционально увеличению содержания воды в почвы. Надо только иметь стандар- тныйисточникбыстрыхнейтронов(аэто,какправило,радий-берил- лийилиамериций-бериллий),счетчикмедленныхнейтроновиполу- чить тарировочную зависимость влажности от скорости счета медленныхнейтронов.Техническивсеэтиусловияреализованывнейтронном влагомере, схема которого представлена на рис.V.10.

Внейтронномвлагомеребыстрыенейтроны,выделяемыеизисточника, поступают в окружающую почву, часть их сталкивается с ионами водорода. Замедляя скорость, они поступают в счетчик мед-

ленныхнейтронов. Онопределяетскорость поступлениямедленных нейтронов.Обычноисточникисчетчикрасположеныводномблоке, который опускается в скважину, оборудованную алюминиевой трубой. Само устройство для измерения скорости счета расположено на поверхности. Общий вид зависимости влажности от скорости счета

где объемная влажность [см3/см3], f – скорость счета медленныхнейтронов[импульс/мин],аиb эмпирическиеконстанты,которыеопределяютнаоснованииспециальноготарировочногоэксперимента, в котором одновременно и многократно определяются пары значенийвлажность (термостатно-весовымметодом) скорость счета (нейтронным влагомером).

Особенности метода

Зонаопределенияусредненнойвлажностипредставляетсобойсферу с диаметром около 20 см. Форма сферы, ее диаметр могут изменяться в зависимости от используемого устройства, влажности и некоторых другихсвойствпочвы.Вовлажнойпочведиаметрзоныизмерениявлажности составляет 10–15 см, в сухой до 25–30 см (см. рис. V.10)

Определяетсяобъемнаявлажностьпочвы.Длянабухающихпочв (а практически все почвы в той или иной степени набухают) следует учесть связь весовой влажности и плотности при получении тарировочнойкривой.

Ограниченияприменимостиметодавзасоленныхпочвах.Вэтих почвах,какправило, имеютсяионыCl,Br, которые,какиион Н,способны замедлять быстрые нейтроны.

Диэлькометрия Диэлектрическая проницаемость дисперсной среды определя-

етсяеесоставляющими.Диэлектрическаяпроницаемостьпочвскладывается из диэлектрических проницаемостей твердой части почвы (колеблется от 2 до 10), почвенного воздуха (около 1) и воды (81). Совершенно ясно, что основнойвклад в изменение диэлектрической проницаемости почвы будет внесен изменением влажности. Поэтому наблюдения за диэлектрической проницаемостью почв позволяют следить за динамикой ее влажности. Требуется, как и во всех косвенных методах, тарировочная кривая зависимость диэлектрической проницаемостиот объемной влажности.

Имеется ряд подходов и соответствующих средств для определения влажности по диэлектрической проницаемости. Можно измерять электрическую емкость, основной переменной которой в дан-

ном случае является диэлектрическая проницаемость. Техническое решение состоит в том, что два провода определенной длины помещают в почву на необходимую глубину при строго фиксированном расстоянии между проводами. Измеряют электрическую емкость с помощью традиционных диэлькометров. Синхронно с определениями емкости определяют влажность весовым методом в нескольких точках по протяжению помещенных в почву проводов. Получают тарировочную зависимость емкость объемная влажность, с помощью которой при последующих измерениях емкости можно определять объемную влажность. Используя этот метод, определяют средневзвешеннуювлажностьподлинеустановленныхвпочвепроводов. Такогородаподходыудобныприоценкевлажностивкакой-либотеп- личной гряде, в буртах дисперсного материала и пр.

Другим решениемдляопределениявлажностипочвыподиэлькометрическойпроницаемостислужитметодимпульснойдиэлькометрии(син.«диэлькометрия вовременнойобласти»,«TDR-TimeDomain Reflectometry»).Этотметодвесьмаширокораспространен.Сущность егосостоитвтом,чтоскоростьпрохожденияэлектромагнитногосигнала (v) определяется диэлектрической проницаемостью среды ( ):

v c0.5 ,

где с скорость света. Следовательно, для измерения диэлектрической проницаемости почвы необходимо знать величину скорости прохождения электромагнитной волны. Для этого и используют специальные приборы, схематическое устройство которых представлено на рис.V.11. Импульсный генератор дает импульс электромагнитной 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 датчикадоконцаиобратно,онасноварегистрируетсянаосциллографе. Поэтимдвумсигналамнаосциллографенетрудноопределитьвремя прохождения волны (t). В результате известны длина датчика, через который проходит электромагнитный импульс (l), и время его прохождения (t) , а диэлектрическую проницаемость нетрудно рассчитать из приведенной выше формулы, учитывая, что

вполне понятна сигнал прошел до конца датчика и обратно).

Особенности метода

Определяется объемная влажность почвы. Так же, как в случае нейтронной влагометрии, следует учесть связь весовой влажностииплотностиприполучениитарировочнойкривой.

Зона определения влажности – весьма небольшая вблизи датчиков.

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

Гипсовыеблоки Эта группа методов основана на изменении свойства тела-по-

средника, которое находится в контакте с почвой. Например, если пористыйматериал(гипс,керамика,тканьипр.)хорошоконтактирует с почвой, имеет хороший гидравлический контакт с ней, то изменения влажности почвы будут приводить и к изменению влажности

t

время

Рис. V.11. Схема измерения диэлькометрии почв импульсным методом

(«time-domain reflectometry»)