Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

(в кПа), R газовая постоянная, равная 8.31· 103 [кПа · м3/К0 · моль], T температура в К, С концентрация раствора в моль/м3. Нередко эту составляющую полного потенциала определяют по электропроводности почвенного раствора (ЕС): Росм = 36 ЕC, электропроводность (ЕС) выражена в дСм/м.

Если же изучать процессы переноса влаги только в обычной, незасоленной почве, то здесь основное значение имеют лишь две составляющие капиллярно-сорбционная и гравитационная. Их мы и будемрассматривать приоценкепередвижения влагииз однойточки почвы в другую. В случае же потребления влаги растениями следует рассматривать полное давление влаги, так как растения потребляют влагу в основном за счет более низкого осмотического потенциала влаги в корнях. Поэтому следует сравнивать полное давление влаги в корне растений и в почве.

Соотношение указанных трех видов давлений влаги в почве оченьхорошопроиллюстрированосхемой(рис.VI.3),предложенной однимизоснователейсовременнойгидрофизики,американскимученым Лоренцо Адольфом Ричардсом. На этой схеме наглядно представленыпроисхождениеивеличиныразличныхсоставляющихполногодавлениявлаги.

Рассмотрим почвенный монолит (1), в центре которого сделана проницаемая для воды скважина (2). Если такой почвенный монолит

p=-gh

5

Рис. VI.3. Схема соотношения различных составляющих полного давления влаги (по Л.А.Ричардсу)

поставить в поддон со свободной водой (3), то свободная вода в почве поднимется до уровня воды в поддоне, на который укажет уровень воды в скважине (4). Именно так традиционно измеряют уровень грунтовых вод. Далее для измерения различных составляющих будем пользоваться тонкими прозрачными трубками, заполненными водой. В первом случае просто открытой с обоих концов (5), в другом стонкопористойпластинкой(6),аналогичнойпримененнойнами

вприборе на рис.VI.1, а в третьем с тонкопористой полупроницаемой мембраной (7), которая не пропускает растворимые ионы. Если мы поместим первую тонкую трубочку в почву ниже уровня воды в скважине,взонунасыщеннойвлагойпочвы,ивыведемэтутрубкуза пределы монолита, то в этой трубке установится уровень, равный уровню свободной чистой воды в монолите или уровню воды в поддоне (по закону сообщающихся сосудов). Разница между глубиной установки трубки в монолите и уровнем воды в ней укажет на гидравлический напорвточке установки трубки.Этот напор изображен

ввиде значения +h на зависимости суммы давлений (Рк-с+ Ргр) от высоты монолита. В данном случае Рк-с равно нулю, ведь почва насыщенавлагой.Прибор,регистрирующийгидравлическийнапор,называется пьезометром. Этот прибор,указывающий на величинугидростатическогонапора(вданномслучаечисленноравногорасстоянию от уровня свободной воды в скважине до установки трубки пьезометра),частоиспользуетсявгидрогеологическихисследованияхдля измерения перепадов гидростатического напора в насыщенных водойгрунтах.Тонкопористуюмембранувторойтрубки(6)поместимв почву над уровнем воды, т.е. в не насыщенную влагой почву. Вода в изогнутом конце трубки опустится ниже, чем в пьезометре, так как окажетсяподвлияниемкапиллярно-сорбционныхсилпочвы.Ниже навеличинукапиллярно-сорбционного,илиматричного,давлениявла-

ги (Рк-с= –gh). И, наконец, в третьем нашем приборе с полупроницаемой мембраной (7) вода опустится еще ниже, чем в тензиометре, за счет действия не только капиллярно-сорбционного давления влаги, но и осмотического давления. Этот прибор, называемый осмометром, позволяет оценить осмотическую составляющую почвенной влаги. Так наглядно можно представить три основные составляющие полного давления влаги в почве, а также основные приборы, которые могут измерить эти составляющие.

Итак, почвенная влага находится под действием сил различнойприроды,понижающихеесвободнуюэнергию.Этоотражаетсяи

ввеличине давления влаги, котороеменьше, чем всвободной чистой воде.Всуммарномвидеэтопонижениедавленияноситназваниепол-

ного давления влаги в почве.Аосновныеегосоставляющие,соответствующие природе действующих на воду сил, это гравитационное, осмотическоеикапиллярно-сорбционное,илиматричное,давления.

3.Термодинамическое обоснование потенциала влаги. Полный потенциал влаги и его составляющие

Мы рассмотрели причины формирования пониженного по сравнениюсосвободнойчистойводойдавлениявлагивпочве.Можно подойти к получению этой величины, пользуясь аппаратом классической термодинамики. Как известно, в термодинамике наиболь- шеезначениеимеютизохорно-изотермический(энергияГельмгольца) иизобарно-изотермический(энергияГиббса)потенциалы.Дляоцен- ки энергетического состояния воды в почве наиболее подходящим, безусловно,будетявлятьсяизобарно-изотермическийпоследующим причинам:

этот потенциал представляет собой полезную работу в поле действия силразличной природы. Аименноработа по перемещению бесконечно малого количества воды в поле действия гравитационных,капиллярно-сорбционных,осмотическихсили представляетсобойпотенциалпочвеннойвлаги;

независимыми переменными являются давление (Р) и температура (Т). Это наиболее подходящие для почв условия, когда температура изменяется достаточно плавно, и в каждый моментусловия можнорассматриватькак близкие(квази-) кизотермическим. Внешнее, атмосферное, давление также изменяется слабо;

этот потенциал применим для веществ, находящихся вразличных фазовых состояниях. В случае почвенной влаги это очень важное преимущество потенциалы равны в водной газообразной фазе (в паре), жидкой влаге и во льду. Значит, мы получаем дополнительные условия для определения потенциала его можно измерить в одной из фаз, в других он будет равен измеренной;

этотпотенциалуказываетнаправлениепроцесса:водабудетдвигаться в сторонуотбольшего значения потенциала к меньшему.

Изтермодинамикиизвестно, изобарно-изотермический потенциал (G) равен dG = VdP– SdT, или, при отнесении на моль вещества, в данном случае, на моль воды: d vdP sdT .

Последняя величина это химический потенциал почвенной воды, указывающий состояние воды в почве и направление ее передвижения. Теперь можно дать определение потенциалу воды в почве.

Потенциал влаги в почве полезная работа на единицу количества воды, которую необходимо затратить, чтобы переместить обратимо и изотермически бесконечно малое количество воды из резервуара с чистой водой, находящегося на стандартной высоте над уровнем моря, в почвенную влагу в рассматриваемом месте при неизменном внешнем давлении.

Отметим несколько характерных моментов, следующих из этогоопределения:

1) «полезная работа на единицу количества воды». Из этого следует, что потенциал имеет размерность [работа /масса] или в системе CИ [дж / кг]. Эта размерность нередко используется, если строго физически употреблять понятие потенциала влаги. Однако, заметим, что для воды с единичной плотностью

а последнее отношение есть не что иное, как Па ·103, т. е. размерностьдавления.Итак,еслирассматриватьотношениеработыкобъему воды, то получаем размерность давления. Рассмотрим другие системы единиц. Выражение для потенциала влаги в системе CGS: [эрг/г воды]; с учетом, что плотность воды близка к 1 г/см3 , это выражение не что иное, как [дин · см/см3] = [дин/см2]. Последняя размерность также есть размерность давления и равна 1 барию. Ба- рийжеравен10-6 атмосферы,илипримерно0.10Па(паскальвсистеме СИ). Если рассмотреть отношение [работа /масса], то мы получим размерность [длины]. Поэтому в физике почв наиболее часто используютединицыизмерениядавлениявлагивпочвев«смводного столба» давление столба чистой воды высотой 1 см. Из этого становитсяяснойидентичностьиспользованиятерминов«потенциал влаги», «давление влаги», «высота водного столба», а также понятнымсуществованиетрехвзаимопереводимыхединиц(потенциал,давление,высота водногостолба) приизмерении потенциалаи/или давления почвенной влаги. Таким образом, следует помнить, что если количество работы отнесено к единице объема, то потенциал измеряетсявединицахдавления[Па,атм,барит.д.],есликединицевеса

Аналогичнорассмотрениюсоставляющихполногодавления,уточним значимость отдельных слагаемых полного потенциала влаги в почве. Обычно если нет заметного механического воздействия на почву, газовоедавлениесущественнонеизменяется,тоосновноезначениепри- обретаюттрисоставляющие:капиллярно-сорбционная,гравитационная иосмотическая.Вестественныхнезасоленныхпочвахнапроцесспере- движенияводывпочвеоказываютвлияниелишькапиллярно-сорбцион- ная и гравитационная составляющие, так как осмотическая не имеет в почве заметных перепадов, больших градиентов концентраций растворимыхсолей. Впрочем,еслиоценивать движение водыизпочвы в растение, следует учитывать и осмотическую составляющую.

Отметим и еще одно важное качество потенциала Гиббса: в состоянии равновесия он равен во всех фазах, в жидкой, газообразной, и для всех фаз справедливо d vdP sdT .

В изотермических условиях и второй член правой части равен 0.

Поэтому d vdP. Вспомним, что PV = RT/M и V = RT/MP. Откуда d = (RT/MP)dP, а при интегрированииотстандартного,«нулевого», состояния до некоторого i-го, разность химических потенциалов воды составит 0 – = (RT/M)·ln(р/р0), т.е. изменение химического потенциала воды по сравнению со стандартным состоянием пропорциональнологарифмуотносительногодавленияпаровводы,так как М молекулярный вес воды (0.018 кг/моль), R газовая постоянная(8.31Дж/К°моль), авизотермическихусловиях итемпература Т константны.Изменениехимическогопотенциалаводыпосравнению со стандартным уровнем чистой воды, принятым за ноль, и есть полныйпотенциал(полноедавлениесучетомразмерности)влаги t . Иразмерностьизмененияхимическогопотенциалаввышеприведенном уравнениисовпадает сразмерностью потенциалавлаги [Дж/кг]. Поэтомумеройпотенциалавлагивпочвебудетявлятьсяотносительное давление паров воды при постоянной температуре. Иногда, учитывая, что для широкой области практически важных относительных давлений паров воды ln(р/р0) (р/р0) – 1, можно записать и использоватьболеепростоевыражениесвязиполногопотенциалавлаги стемпературойиотносительнымдавлениемпаров: t 461T((р/р0) – 1).

Таким образом, если мы сможем измерить или задать строго постоянную величину относительного давления паров воды, мы можемопределитьпотенциалвлагивпочве,или,какмыужеуказывали выше, полное давление влаги в почве. На этом основаны многие методы определения потенциала (давления) влаги в почве. Кратко остановимся на этих методах. Более подробно они изложены в монографиях А.М.Глобуса (см. список литературы).

Ток будет тем больше, чем суше воздух. Так можно измерить относительную влажность или относительное давление паров воды в почве. Прибор, однако, требует получения калибровочной кривой, которую определяютнадрастворамисолейсостандартнымотносительнымдавлением. При соответствующей тарировке прибор может определять полное давление влаги в почве весьма точно. Отметим, заглядывая чутьвперед,нетольковпочве,новрастении,влюбойчастибиогидрофизической системы почва–растение–атмосфера.

Этот метод может быть как лабораторным, так и полевым.

Гигроскопическийметод,илиметодсорбционногоравновесия над растворами солей.

Этот метод в основном используется в лаборатории. Хорошо известно, что некоторые растворы при постоянной температуре поддерживают строго постоянное относительное давление паров воды. С этим мы уже также сталкивались, когда речь шла о такой почвен- но-гидрологической константе, как МГ, эта константа соответствует относительной влажности воздуха 98%. Можно создать различныеотносительныедавленияпаровводыспомощьюразличныхсолей или растворов, например, серной кислоты (см. А.Ф.Вадюнина, З.А.Корчагина, 1986, «Полевые и лабораторные методы исследованияфизическихсвойствирежимовпочв»,2001).Еслипочвенныеобразцы сравнительно долго поддерживать в атмосфере над раствором соли с константным относительным давлением паров, то потенциал влаги в почве станет равным соответствующему относительному давлению паров. Это вариант пассивного создания строго определенногопотенциалавлагивпочве.

Это два наиболее простых и распространенных метода определенияполногопотенциалавлагивпочве.

Тензиометрическийметодопределениякапиллярно-сорбционного давления Капиллярно-сорбционноедавление(потенциал)можноопределить

спомощьюуникальногоспециальногопочвенно-физическогоприборатензиометра (см. «К вопросу о»: Тензиометр). Принципиальная схема этого прибора уже рассмотрена (рис. VI.1). На рисунке VI.5 приведена схема тензиометра, наиболее часто используемого в по- чвенно-гидрофизических исследованиях. Его составные части: керамическая тонкопористая свеча (1), вакуумметр (2) и трубка (3), соединяющаясвечуивакуумметр,заполненнаякипяченойводойизакрытая

содного конца пробкой (4). Причем вакуумметр устанавливают в отдельномколенеэтойспециальнойтрубки.Сделаноэтодлятого,чтобы

пузырьков

воздуха

Ргр

Ртенз=Ргр+Рк-с

почва

Рис. VI.5. Схема тензиометра

диффундирующий через мембранувоздух поднимался в виде отдельныхпузырьковповертикаливверхискапливалсяподпробкой.Егооттуда можно легко удалить, открыв быстро пробку и долив тензиометр чистойкипяченойводой.Всеэтипроцедурынеобходимы,чтобывтензиометре не было большого количества воздуха, который разрушает непосредственную гидравлическую связь между водой в почве и вакуумметром. Воздух в отличие от воды легко сжимается и расширяется. Поэтому изменения давления влаги в почве не будут уже непосредственнорегистрироватьсявакуумметром,азначительноизменяться за счет расширения и сужения воздушных пузырей. В связи с этим главное при работе с тензиометром соблюдать герметичность и водозаполненность всего прибора. Только в этих условиях вода через поры свечи будет соединена с водой в почве (см. увеличенный фрагмент на рис.VI.5, поясняющий водопроводящую роль тонкопористой свечи). И только при такой непосредственной гидравлической связи водывприбореивпочвечерезпорысвечиуменьшениедавлениявлаги в почве будет приводить к уменьшению измеряемого вакуумметром давления воды в приборе; повышение давления влаги в почве к регистрируемому повышению давления в приборе. Тензиометр будет непосредственно и быстро измерять давление влаги в почве.

«Квопросу о»

Тензиометр

Тензиометр уникальный прибор в физике почв, который был изобретенспециальнодляпочвенныхисследований,анезаимствованизсопряженных научныхотраслей.Этоистиннопочвенно-физическийприбор,которыйвнасто- ящее время повсеместно используется для контроля орошения. Тензиометр в этом случае устанавливается в корнеобитаемую толщу почвы. По мере иссушения почвы его стрелочка показывает все большие и большие разрежения давление влаги в почве уменьшается. Это означает, что вода все труднее и труднее доступна растениям. В некоторый момент растения начинают ощущать это в полной мере, они начинают «страдать» от недостатка почвенной влаги. Требуется полив. Сигнало том, что влага труднодоступнадля растений, даеттензиометр.Еслиегострелкадостигнетразрежения300 400смводного столба, то необходимо проводить полив. Причем поливать до тех пор, пока стрелкатензиометравновьнеприблизитсякнулевойотметке:впочвевдостатке имеется легко подвижная капиллярная влага.

Кто же является изобретателем столь уникального физического устрой- ства?Какправило,появлениетензиометроввпочвенно-физическихисследова- ниях связывают с именами известных американских физиков почв: Вилларда Гарднера и Лоренцо А.Ричардса, которые начали использовать его лабораторный и полевой варианты в начале середине 20-х годов ХХ века. Тогда же, в серединеХХвека, впрактикуорошенияактивно вводилтензиометрсобственной конструкции наш соотечественник В.Г.Корнев. Однако первую конструкцию тензиометра для контроля и автоматизации полива рассады в закрытом грунте предложил американецБартон Е.Ливингстон еще в1908 году. Поэтому его и можно считать первым изобретателем тензиометра. В то же время есть свидетельства,чтоещев1848г.американецДж.Бабинет(BabinetJ.)сообщало некоторомустройстведляавтоматическогополиварастений,основойкоторого была керамическая пористая свеча. Может, это и был тензиометр, который «дождался» своего широкого использования лишь почти через столетие. (По статье:DaniOr«WhoInventedtheTensiometer?»«SoilScienceSocietyofAmerican

Journal», 2001. V.65, No.1. P.1–3).

Следует отметить также, чтодаже если поры керамической свечи не соединяются с почвенной водой, они способны «выдержать» разрежение в приборе за счет увеличения кривизны мениска. Это хорошо видно на увеличенной части свечи рис. VI.5, где в нижних порах свечи мениски воды предотвращают проникновение воздуха внутрь прибора. Поэтому водонасыщенная свеча является газонепроницаемой,нодотехпор,покавсамуюкрупнуюпорукерамической свечи не проникнет воздух. Через эту пору воздух проходит массовым потоком внутрь тензиометра показания вакууметра начнут уменьшаться. Прибор достиг предельных показаний. В связи с этим чем более тонкопористая свеча и равномерные в ней тонкие поры,