Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

Рис. VI.6. Измерение перепада капиллярно-сорбционных давлений влаги в двух точках почвы с помощью тензиометров

тембольшедиапазонработытензиометра.Обычнотензиометрыспособны удовлетворительно следить за давлением влаги в почве в диапазоне давлений влаги от 0 до 600 700 см водн.ст.

Не следует забывать, впрочем, что вакуумметр на тензиометре всегда показывает алгебраическую сумму двух составляющих: высоту столба жидкости от вакуумметра до керамической свечи и собственнокапиллярно-сорбционногодавлениявлагивпочве(рис.V.6). Поэтому тензиометр измеряет так называемое тензиометрическое

давление Ртенз.

Отметим, что раз гравитационная составляющая измеряется вакуумметром в верхней части тензиометра и представляет собой по сути «подвешенный столб воды», то она отрицательна и равна высоте от вакуумметра до свечи. Так как гравитационная и капиллярносорбционная составляющие имеют одно и то же направление действия на воду в тензиометре (указано на рис. VI.5 стрелкой, направленной из свечи в почву), то тензиометрическое давление является их суммой: Ртенз = Pк-с + Pгр. Соответственно Pк-с = Ртенз – Pгр.

Поэтомудлярасчетакапиллярно-сорбционногодавлениявлагинуж- но вычесть из показаний вакуумметра высоту столба жидкости в приборе. Вот тут и сказывается преимущество использования таких единиц, как «см водного столба». Если выразить показания вакуумметра в см водного столба, то необходимо из него вычесть высотуприбора иполучитьзначениекапиллярно-сорбционногодав- ления. О решении такого рода задач чуть ниже. Более подробно они описаны в пособии Е.В.Шеина и В.А.Капиноса (1994).

Таким образом, мы ввели новый и очень важный параметр давление илипотенциалвлагивпочве.Знаязначениядавленийвлаги

вдвух точках почвы можно совершенно точно сказать, куда будет двигаться влага: из точки с бoльшим давлением в точку с меньшим давлением. А движущей силой будет являться перепад давлений влаги. Как уже указывалось, в почвенных исследованиях при расчетах движения воды учитывают лишь две составляющие полногопотенциала капиллярно-сорбционнуюигравитационную.Ос- мотическая составляющая в доминирующем большинстве случаев не влияет существенно на перенос влаги, так как концентрации солей стремятся выравниваться в почвах, да и сами разницы концентраций в обычных случаях невелики. Поэтому и рассматривают суммы величин капиллярно-сорбционного и гравитационного давлений в двух точках почвы, которые указывает тензиометр. Например, как на приведенном рис. VI.6.

На приведенной схеме (рис. VI.6) тензиометрическое давление

вточке 1 составляет 120 см водного столба, а в точке 2 70 см водного столба. Это однозначно указывает, что вода будет передвигаться из точки 2 в точку 1, т.е. подниматься к поверхности почвы.

Вкачестве примера рассмотрим и расчеты Рк-с в точках тензиометрических измерений.За нулевой уровеньвыбрана дневная поверхность почвы. Обычно так и поступают, учитывая масштабы изучаемого явления. В точке 1 гравитационная составляющая равна 20 см (глубина установки свечи 10 см и 10 см над поверхностью), а показания тензиометра равны 120 см водного столба. Следовательно, величина капиллярно-сорбционного давления на

глубине 10 см составит Рк-с = – 120 ( 20) = 100 [см водн.ст.]. В точке 2, находящейся на глубине 50 см, гравитационная составляющаяравна60см(50см +10см),атензиометрпоказывает 70 см водного столба. Это означает, что в точке 2 капиллярносорбционное давление составит Рк-с = – 70 ( 60) = 10 см водн.ст., т. е. капиллярно-сорбционные давления в точках 1 и 2 равны 100 и 10 см водн.ст.

Но снова возникает вопрос: всегда ли вода, как в рассмотренном случае, будет двигаться из более влажной почвы в более сухую? Нет, это совсем не очевидно. Это рассуждение было бы справедливо лишь для абсолютно гомогенной, совершенно одинаковой толщи. Такой почвы не бывает. И если в точке 1 почва более глинистая, чем в точке 2, то вполне может быть так, что влажность в точке 1 будет выше, чем в точке 2. А вода будет передвигаться из точки 2 в точку 1. Поэтому только величина давления влаги может быть использована для оценки направления переноса влаги, только суммы гравитационногои капиллярно-сорбционногодавленийвла- ги. Мы же в большинстве случаев имеем дело с величинами влажности почвы. Поэтому для характеристики и состояния влаги и направления переноса надо перевести их в величины давления влаги. А для этого надо знать зависимость влажности от матричного давления влаги в почве. Эта зависимость центральная, одна из самых важных в физике почвы. Поэтому следующая часть курса посвященаименно этой основной характеристике.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Вода впочве под действием сил, возникающих на поверхности раздела воздух почвенный раствор твердая фаза с сорбированными ионами, снижает свою свободную энергию по сравнению со свободной чистой водой. Это понижение энергиипринято определятьколичественноввиде потенциалаили давленияпочвеннойвлаги:полногодавления(потенциала)влаги в почве. Полное давление влаги в почве это уменьшение давления, измеренное относительно свободной чистой воды (уровень которой принят за 0), причиной которого является суммадавленийкапиллярно-сорбционного(капиллярногоили лапласова и расклинивающегов тонких пленках), осмотического (за счет растворимых веществ), гравитационного (равноговысотестолбажидкостиотнулевогоуровня,уровняморя, а в большинстве случаев поверхности почвы) и внешних давлений (атмосферного и вышележащих слоев).

2.Потенциал влаги в почве полезная работа на единицу массы воды, которую необходимо затратить, чтобы переместить обратимои изотермическибесконечномалое количествоводы из резервуара с чистой водой, находящегося на стандартной высоте над уровнем моря, в почвенную влагу в рассматриваемом месте при неизменном внешнем давлении. Если количество работы отнесено к единице объема, то потенциал из-

меряется в единицах давления (Па, атм, бар и т.д.), если к единицевеса вединицахдлины,высотыводногостолба(смводного столба, м водного столба и пр.). Это размерности давлениявлагивпочве.Есликоличествоработыпопереносуотнесено

к массе воды потенциал измеряется в Дж/кг, эрг/г и пр.

3.Разница давлений (потенциалов) влаги в двух точках почвы однозначно указывает направление переноса: вода будет двигаться от точки с большим в точку с меньшим давлением влаги.

4.Основное значение для оценки переноса имеют капиллярносорбционное(илиматричное)и гравитационноедавлениявлаги. При анализе движения влаги в почве осмотическая и другие составляющие оказывают несравненно меньшее влияние на перенос влаги, и их в незасоленных почвах не учитывают.

Литература

Глобус А.М.Экспериментальнаягидрофизикапочв.Л.:Гидрометеоиздат,

1969.

Су д н и ц ы н И. И. Закономерности передвижения почвенной влаги. М.:

Наука,1964.

Су д н и ц ы н И. И. Движение почвенной влаги и влагообеспеченность растений.М.:Изд-воМоск.ун-та,1979.

Воронин А.Д.Структурно-функциональнаягидрофизикапочв.М.:Изд-во Моск.ун-та,1984.

Термодинамикапочвеннойвлаги.Л.:Гидрометеоиздат,1966.

Хэнкс Р.Дж.,Дж.Л. Ашкрофт.Прикладнаяфизикапочв.Влажностьи температурапочвы.Л.:Гидрометеоиздат,1985.

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.

1. Зависимость между капиллярно-сорбционным (матричным) давлением ... 145

Рис. VII. 1. Схема заполнения капилляров почвенного монолита водой (а) и соответствующая зависимость между капиллярно-сорбционным давлением влаги и влажностью почвы (б)

потенциальнойвеличины(капиллярно-сорбционного давлениявлаги) от экстенсивной величины (влажности почвы) основную гидрофизическую характеристику (ОГХ). ОГХ это количественная характеристика водоудерживающей способности почв. Водоудерживание можно определить как способность почвы удерживать влагувосновномкапиллярно-сорбционнымисилами;этовлажность почвы при определенном давлении. Чем выше влажность почвы при одном и том же давлении, тем выше водоудерживающая способность или водоудерживание почвы. Нередко поэтому ОГХ называют кривой водоудерживания (англоязычный термин «water retention curve»).

Следует отметить несколько важных моментов, касающихся физической сути и формы выражения ОГХ.

ОГХ это зависимость между парами равновесных значений давление влаги влажность. Равновесная влажность означает, что при поддержании в почве определенного капиллярносорбционного давления влажность почвы остается постоянной достаточно длительное время, т.е. достигнуто состояние равновесия между давлением влаги и влажностью.

1. Зависимость между капиллярно-сорбционным (матричным) давлением ... 147

Подчеркнем два важных момента относительно формы выражения этой зависимости: (1) обычно (это сложилось исторически и утвердилосьдонастоящеговремени)поосиординатприпостроении ОГХ откладывают давление влаги, а по оси абсцисс влажность. Хотя, строго говоря, по физической сути следовало бы поступать наоборот.Ведьпричинойформированиятой илиинойвлажностиявляется давление влаги. Именно давление влаги независимая величина, а формирующаяся при том или ином давлении влажность величина зависимая. Но так уж сложилось исторически, что все поч- воведы-физики к такой форме представления ОГХ привыкли; (2) эту зависимостьопределяютдлядиапазонакапиллярно-сорбционногодав- ления от 0 до 107 см водн. ст. Этот диапазон весьма широк, и поэтому, как правило, используют логарифмическую шкалу. Более того, Скофилдомбылапредложенаспециальнаявеличина,аналогичнаявеличине рН в химии: рF десятичный логарифм абсолютной величины капиллярно-сорбционного давления, выраженного в см водного столба: pF = log( Рк-с ), где капиллярно-сорбционное давление влаги Рк-с выражено в см водного столба.

Если на кривой ОГХ выделяются некоторые характерные области, то, видимо, можно выделить и характерные точки. Сам S-образ- ный вид кривой ОГХ предполагает существование таких точек

(рис. VII.2).

Первая «опорная» точка соответствует давлению, близкому к нулю,т.е.условиям полногонасыщенияпоровогопространстваводой илипорозностипочвы( ).Вреальных,экспериментальнополученных ОГХдостичьполного заполненияводойпоровогопространствапрактически никогда не удается в почве постоянно присутствует защемленный и адсорбированный воздух. Поэтому влажность этой первой точкина ОГХ( 0)всегданемногонижепорозностипочвы.Считается, что для ряда суглинистых почв 0 0.8 – 0.9 . Отметим также, что pF никогда не может отразить нулевого давления (ведь это же логарифм давления в см водного столба по модулю, а логарифм нуля не существует). Поэтому кривые ОГХ обычно изображают от значений pFоколо1(илиоткапиллярно-сорбционныхдавленийвлагиоколо10 см водн. ст.).

Вторую характерную точку на ОГХ (она приходится на изгиб в нижнейчастикривой)называют«давлениевходавоздуха»,или«давление барботирования» (Рб). Физический смысл достижения этого давления и соответствующей влажности состоит в том, что давление влаги, начиная от близкого к нулю, может понижаться, а влажность практически не изменяется происходит изменение кривизны

pF 6

5

p/p0

1

4

3

2

1

Рис. VII.2. Основная гидрофизическая характеристика почвы и некоторые наиболее характерные области и точки

менисков в капиллярах, но вода из них не выделяется. Затем при достижениинекоторогодавлениячастьсамыхкрупныхкапилляровопустошается, в них входит воздух. Величина этого давления и называется давлением входа воздуха, или давлением барботирования Рб. Влажность же в этой точке ( б) близка к 0, а Рб для суглинистых почв варьирует в диапазоне 35 70 см водн. ст., но может колебаться в заметных пределах в зависимости от свойств почв, прежде всего от наличия макропор.

И,наконец,третьяобщепризнаннаяхарактернаяточка этоточка перегиба в верхней части кривой в области больших pF. Она отражает влажность, соответствующую переходуобласти пленочнокапиллярной влаги (заполнение водой самых тонких, тончайших капилляров,появлениеменисковмеждуотдельными,покрытымипленкамичастицами)ксорбционной.Этавлажность,называемаянередко минимальной ( min), приходится на область pF 5 5.5. Отметим, что

сорбционная область ОГХ это знакомая нам кривая сорбции (рис. VII.2), только выраженная в другихединицах и в ином изображении: вместо координат « (или W) pF» использовали «W–p/p0». Потенциалвлагивпочвесвязансотносительнымдавлениемпаровводыуравнением вида t =(RT/M) ln(p/p0). Для сорбционной области, где доминируютадсорбционныесилы,аосмотическиеидругиенесравненно ниже,можносчитать,что t к с.Вслучаеиспользованияединиц pF справедлива следующая зависимость pF и относительного давления паров воды (р/р0 в % ): pF =6.502 + lg [2 – lg (р/р0)]. Поэтому сорбционная часть ОГХ это по сути кривая сорбции паров воды. Отсюда и название этой части.

В диапазоне pF отРб до pF 5 5.5 обычно кривая ОГХ плавная, не имеющая «ступенек», резких перегибов и, следовательно, отчетливо выделяемых характерных точек. Отмеченные на рис. VII.2 области ОГХ и характерные точки не являются строго обоснованными, а служат, скорее, некоторыми опорными точками, характерными областями. Физики почв и в статьях, и в дискуссиях, и при количественномописанииОГХиспользуютэтихарактеристическиеобласти и точки на кривых ОГХ (см. раздел 6 «Педотрансферные функции»).

2. Зависимость ОГХ от фундаментальных свойств почв

ОГХ несет в себе информацию о многих почвенных свойствах, отражая в форме кривой и положении в осях «pF-влажность» воздействие тех или иных факторов. Рассмотрим подробнее характеризмененияОГХприизменениипочвенныхсвойств.Приэтомрассмотрениибудемруководствоватьсядвумяобразами(моделями)формированияОГХ.Этопреждевсегокапиллярныйобраз,когдадиаметр капилляра соответствует определенному капиллярно-сорбционному давлению влаги (вспомним формулу Жюрена), а соответствующая влажность это объемы капилляров, занятых водой. И отразим это нарисункахкакобразмонолитаслиниямикапилляров,заполненных водой. И второй образ, образ «расклинивающего давления», формирующего водные пленки (вспомним физический смысл расклинивающегодавлениявтонкихпленкахводы,окружающихпочвенныечастицы, по природе осмотического характера за счет наличия обменных катионов на поверхности частиц рис.VI.2).

Начнем с одного из фундаментальных свойств с гранулометрического состава. Вполне понятно, что с увеличением количества мелких элементарных частиц почвы увеличивается количество тон-