Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

Рис. VII.3. Изменение ОГХ для почв разного гранулометрического состава

кихкапилляров.Поэтомуприодномитомжедавлениивлагивпочвах тяжелого гранулометрического состава влага будет содержаться во многих капиллярах, соответствующих данному давлению (рис.VII.3, суглинок,глина).Влегкихжепочвахтонкихкапилляровнемного,восновномкрупные,удерживающиевлагупривесьмавысокихдавлениях, илиприоченьнизкихpF(рис.VII.3,песок).Поэтомувлажность,соответствующая данному давлению, в песчаных почвах будет ниже; водоудерживание в песчаных почвах меньше. На рис. VII.3 это изображено схематически: при облегчении грансостава, как говорят, ОГХ сместится влево, в сторону меньшей влажности.

Рассмотрим, как повлияет на форму и положение ОГХ другое важное физическое свойство плотность почвы. Рыхлые почвы имеютбольшоеколичествокрупныхкапилляров,пустот.Всеэтоуказывает на то, что они будут содержать большое количество влаги приневысоких(сучетомзнака)величинахдавлениявлаги.Тогдавлага удерживается в крупных капиллярах за счет небольшой кривизны поверхности.Приуплотнениикрупныекапиллярыутоньшаются,увеличивая количество тонких. Таким образом, количество крупных капилляров при уплотнении будетуменьшаться, а количество тонких возрастать (рис. VII.4, а). Это вызовет неоднозначное изменение положения ОГХ. В области высоких давлений, в диапазоне крупных капилляров влажность будет снижаться, а при низких давлениях, в диапазоне тонких возрастать по сравнению с неуплотненной почвой. Это схематически показано на рис. VII 4, б.

Если произошло такого рода изменение ОГХ, можно говорить обизмененииплотностипочвыипочвенныхпедов.

1

W

Рис. VII.4. Изменение ОГХ для плотной и рыхлой почв

Другое фундаментальное свойство минералогический состав. Рассмотрим его влияние для «чистых», одинаковых по гранулометрическомусоставуобъектов монтмориллонитовой и каолинитовой глин.Естественно,зарядповерхностимонтмориллонита,наличиеподвижной кристаллической решетки дают возможность в полной мере «проявиться» действию расклинивающего давления. Монтмориллонитовыеглиныимеютбольшуюудельнуюповерхность,большойсум-

марный поверхностный за-

рис. VII.5.Оченьважноотметить,чтоизменениеположенияОГХпри увеличенииЕКОвесьмасхожесвлияниемувеличениясодержанияфизической глины (рис. VII.3). Поэтому воздействие этих двух факторов (минералогического состава и содержания физической глины) часто трудноразличимо. И для того чтобы выявить, воздействие какого из рассматриваемых факторов привело к «сдвигу» ОГХ в область большихвлажностей(вправо),используютдовольноискусственный,нопростой прием. Вводят такой показатель, как отношение ЕКО к содержаниюфизическойглины:«ЕКО/(содержаниефизическойглины»).Рост этого показателя в наибольшей мере связан с изменением минералогическогосостававсторонуувеличениясодержаниясмектитовыхминералов.ИеслиизменениеформыиположениякривойОГХсвязанос изменениемэтогопоказателя(«ЕКО/(содержаниефизическойглины»), тоуже вполнеопределенноможно говоритьовлиянииизмененияминералогическогосоставанаформуи положениекривойОГХ.

Изменение ОГХ при осолонцевании. Осолонцованность почв, какизвестно, этоповышенное(>5%)содержаниеионаNaвпочвенномпоглощающемкомплексеприслабойминерализациипоровогораствора. Последнее (низкая минерализация раствора) очень важно. Только в этом случае особые, гидрофильные, свойства этого иона могут сказаться. Только в этом случае увеличится толщина двойногодиффузногослоя,резковозрастетрасклинивающеедавлениевтонких пленках, увеличится количество межмицеллярной воды, увели-

нии количества набухающих смектитовых минералов (на рис. VII.5 длямонтмориллонита)выглядитаналогичновозрастаниюдолипоглощенногоNa+ всоставепоглощающегокомплексапочвы.Поэтомуможно говорить о влиянии на ОГХ емкости катионного обмена (прежде всего, минералогического состава) и его катионного состава.

ИзменениеОГХприувеличении/уменьшенииконцентрациилегкорастворимых солей. Мы уже говорили о том, что легкорастворимыесоли этоповерхностноинактивныевещества,увеличениеихконцентрациидолжноприводитькповышениюуровняводывкапилляре. Однако этот эффект весьма незначителен и трудноуловим. Более заметным является другое воздействие легкорастворимых солей: именнонадиффузныйслойионов,определяющихрасклинивающеедавление. Если минерализация порового раствора будет увеличиваться, толщина двойного диффузного слоя уменьшится, уменьшится и его влияние на расклинивающее давление. Частицы легко могут располагаться друг с другом, между ними не будет «накачиваться» вода за счетдействиярасклинивающегодавления.КриваяОГХсместитсяпри засолении влево, в сторонуменьших влажностей (рис. VII.7 ). И только при очень высоких давлениях влаги, в области pF от 0 до pF 1 2, может проявиться действие солей как поверхностно-инактивных веществ, повышающих водоудерживание (рис. VII.7, область pF 0 1.5).

В результате сравнения засоленных и незасоленных почв окажется, что водоудерживание способность почвы удерживать вла-

Этовоздействиенеоднозначноисвязанопреждевсегосколичеством и качеством почвенного органического вещества. Если рассматривать содержание гумуса в почве, то воздействие окажется в целом аналогичнымразрыхлению:произойдетувеличениевлажностиприсоответствующихдавленияхвобластиpF<3,инебольшиеизмененияв областивысокихpF,всорбционнойобласти(рис.VII.4).Этообщеизвестный факт увеличение содержания почвенного гумуса снижает плотность почвы. Но в то же время качество гумуса, содержание в его составе различных компонентов может различным образом воздействовать на вид ОГХ. Если доминируют гидрофильные компоненты, то ОГХ будет смещаться в область более высоких влажностей (вправо); если гидрофобные, то наиболее вероятно смещение в область низких влажностей. Однако этот вопрос еще ждет детальногоизучения.

О влиянии температуры на положение ОГХ. До сих пор речь шла о строго изотермических условиях. Такие условия накладывалисьнаприменениеаппарататермодинамики,использованиеклассическихуравненийЛапласаиЖюрена.Нотакоговпочве,конечноже, не бывает, и в различных точках почвы температура, как правило, различна.Для анализавлияниятемпературы наОГХ используеммо- лекулярно-кинетическийобраздавления,втомчислеидавлениявлаги. Давление возрастает при большей кинетической энергии частиц, а пониженное давление влаги в почве связано с понижением энергии

молекул воды. Снижение

При повышении температурыпроизойдетповышениедавлениявлагивпочве, и при одной и той же

величинедавленияводоудерживаниевпочвеснизится(рис.VII.8):при повышении температуры количество воды в почве будет меньше при одномитомжедавлениивлаги.Этиизменениядавлениявлагивзависимостиоттемпературывесьмаважныприоценкепередвижениявлаги в неизотермических условиях (см. ч. VIII).

В заключение этого раздела отметим, что в зависимости от природы почвы, ее генезиса указанные изменения будут выражены в различной степени. Да и в природе практически никогда не наблюдается воздействия «чистого» фактора, одного из тех факторов, которые мы рассмотрели.Поэтомунередкооднозначныевыводыобизменениипочвы по анализу изменения положения и формы ОГХ сделать бывает затруднительно. Всегда требуются дополнительные исследования.

Однако важно то, что в вышеприведенном анализе мы использовали 3 образа (модели) ОГХ (1) капиллярный, (2) связанный с расклинивающимдавлениеми(3)молекулярно-кинетический.Попы- таемсяидалеедляизученияприменениявпочвоведенииОГХпользоваться этими моделями природы ОГХ.

3. Использование ОГХ

Использование ОГХ для:

1)сравнительнойоценкиизмененияфизическогосостоянияпочв;

2)оценки распределения объемов пор по их диаметрам;

3)оценкипочвенно-гидрологическихконстант;

4)математического моделирования передвижения влаги в почве;

5)оценки физико-механическихконстант впочве (методА.Д.Воронина).

ПунктпервыйиспользованияОГХужеобсужден:мывыяснили общиезакономерностивизмененииформыиположенияОГХприизменении основных физических свойств почв. Можно сделать и обратныйшаг интерпретироватьизменениеформыиположенияОГХ как изменение в основных физических свойствах. Это значительно сложнее, так как изменения некоторых свойств в определенных диапазонах идентичны. Сравните: в капиллярной области увеличение плотности, содержания песчаных фракций (облегчение гранулометрическогосостава),снижениесодержанияорганическоговещества все это приводит к смещению ОГХ в область более низких влажностей. Поэтому выявление причин изменения формы ОГХ всегда должносопровождатьсяанализомдополнительнойинформацииобизменениях свойств почв, лучше всего прямыми определениями фундаментальных физических и минералогических свойств почв.

Пункт второй использование ОГХ для оценки распределения объемов пор по их диаметрам. Давление почвенной влаги при использованиикапиллярногообраза нечтоиное,каквысотакапиллярного поднятия. Давление, выраженное в см водного столба. Высота жекапиллярногоподнятия(h)связанаформулойЖюренасрадиусом

Из этого уравнения легко можно рассчитать диаметр (или радиус) пор, если известна высота капиллярного поднятия, иначе – давление почвенной влаги. Последнее нам известно это ордината нашей основнойгидрофизическойхарактеристики.Значит,известенидиаметр пор. Объем же пор, соответствующий каждому диаметру, также можно рассчитать, пользуясь ОГХ. Для этого ОГХнадо рассечьпрямыми, параллельнымиосиабсцисс,осиобъемныхвлажностей(рис.VII.9а,б).

Каждому интервалу давления будет соответствовать отрезок на оси абсцисс, т.е. каждому интервалу диаметров капилляров будет соответствовать интервал объемов влаги, находящихся в этих капиллярах. А это есть не что иное, как распределение объемов пор почвы по размерам (рис. VII.9, б). Можно сказать и проще: распределение пор по размерам это не что иное, как дифференциальная кривая ОГХ. Каждая точка на этой кривой может быть определена какзначениедифференциальнойвлагоемкостиС( , Рк-с),т.е.измене- ниявлажностипочвыприизменениикапиллярно-сорбционногодав-

наклонаОГХвразличныхдиапазонахвлажности,азависимостьэтогоуглаотрадиусаилидиаметра порпредставляетсобойкривуюраспределения пор по размерам (рис. VII.9, б).

При интерпретации кривой распределения по размерам необходимопомнить,чтопочваредкопредставляетсобойсовокупностьпростыхцилиндрическихкапилляров.Ведьвпроцессеиссушенияпочвы происходят процессы усадки, изменения порового пространства, т.е. довольно сложные изменения структуры порового пространства, не укладывающиесявпростуюмодельцилиндрическихкапилляров.Учтем также, что это соотношение Жюрена справедливо лишь для капиллярногодиапазонадавленийвлаги:от0до600 15000смводн. ст., т. е. для диаметров пор > 0.005 0.00002 мм. До этих значений давления представлены капилляры, заполненные водой. При меньшихвеличинахдавления(сучетомзнака)заполненныхкапилляровв большинстве почв практически не существует. Существуют капил-

a

Pк-с ,

см водн. ст.

P4

P3

P2

P1

б

Vпор,

см3/см3

Рис.VII.9. Использование ОГХ для определения распределения пор по размерам. Разделение ОГХ на диапазоны по размерам пор, соответствующим Рк-с (а), и кривая распределения радиусов пор (r, см), полученная из ОГХ (б)

лярно-пленочная и пленочная формы влаги, для которых формула Жюрена не справедлива. Мы опять обмолвились о формах воды в почве, определяющих почвенно-энергетические и почвенно-гидро- логические константы. По-видимому, кривая, связывающая энергетическое состояние с объемом влаги (влажностью), может служить информациейидля полученияпочвенно-гидрологическихконстант. Обсудим это.

Если обратиться к мировой литературе, то можно найти вполне определенные зависимости для определения почвенно-гидроло- гических констант из ОГХ. Считается, что НВ это влажность,

соответствующая в среднем 0.33 атм (или 330 см водн. ст.). Хотя имеются указания на то, что в различных по гранулометрическому составу почвах величина давления влаги, соответствующая НВ, будет различна: для песчаных почв 50 100 см водн. ст., для суглинков 330 см водн. ст., а для глин 500 см водн. ст. (цит.по: «MethodsofSoilAnalysis»,1986).Другаяпочвенно-гидроло-

гическая константа влажность устойчивого завядания растений (ВЗ) соответствует 15 атм. (около 15000 см водн. ст.). Это все соотношения, которые были получены не на основе теоретических рассмотрений, а на основе обработки некоторого количества экспериментальных данных. Величина давления 15 атм также получена на большом экспериментальном материале и связывает эту константу с выделением микрокапилляров и пленок. Вспомним (см. ч. I), что в почве выделяют микрокапилляры, в которых влага не доступна для растений. Микрокапилляры имеют диаметр < 0.2 мкм. Если перевести эту величину диаметра капилляра в соответствующее давление почвенной влаги по формуле Жюрена, получится 15 атм. Это подчеркивает, что полученные соответствия между по- чвенно-гидрологическими константами и давлением влаги приводятся в виде, как правило, качественного соответствия. Но это далеконевсегдаоправданно.А.Д.Воронинпредложилтеорию,вкоторой вывел соответствие между капиллярно-сорбционным давлением и энергетическими почвенными константами. Последние, как мы помним, в ряде случаев соответствуют и почвенно-гидрологическим.

А.Д.Воронинпредположил,чтокаждойэнергетическойконстанте, которая выделяет определенную форму воды, должно соответство- ватьконкретноекапиллярно-сорбционноедавлениевлаги.Так,пред- ставление о величине максимальной адсорбционной влагоемкости (МАВ), т.е. о количестве прочносвязанной воды, дает влажность при давлениивлаги,соответствующемпервомуслоюсмачивающейпленки. Максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ) влагосодержаниепримаксимальномсодержаниипленочнойвлагииначалоформирования капиллярных менисков должна соответствовать потенциалу,прикоторомпроисходитслияниепленочныхменискови заполнение пор между почвенными частицами. Этот потенциал, ранеепредложенныйС.В.Нерпиным(1967),носилназваниепервогокритического. Позднее А.Д.Воронин уточнил физическое понятие этого потенциала как потенциала (давления) почвенной влаги при максимумесодержанияпленочнойвлагииназвал«потенциаломприММВ» (Воронин,1984).Следующейэнергетическойконстантой,какмыпо- мним,являетсямаксимальнаякапиллярно-сорбционнаявлагоемкость

(МКСВ) влажность почвы, при которой происходит смена капил- лярно-сорбционногомеханизмаудерживаниявлагинакапиллярный. В этом случае, по предложению А.Д.Воронина, был выделен потенциал влаги, «потенциал при МКСВ». И, наконец, капиллярная влагоемкость, по мнению А.Д.Воронина, будет соответствовать влажности, при которой влага содержится в крупных порах, кривизна их менисковпочти плоская.Эффективныйрадиустаких порсоставляет около10 мкм,адавлениевлаги около150 смводн.ст.,или pF2.17.

Такимобразом,длякаждойэнергетическойконстантыбылнайден соответствующий потенциал (давление) влаги. Однако А.Д.Воронинпредположил,чтосоответствиемеждупотенциаломивлажностью не столь простое, как в случае используемых за рубежом для большинства почв ( 330 см водн. ст. влажность при НВ, или 15000 см водн. ст. влажность при ВЗ). Он отметил, что по мере утяжеления гранулометрического состава, уменьшения размера элементарныхпочвенныхчастицповышаетсякривизнаповерхностипленок,чтоприводиткуменьшениютолщиныпленок,вызывающемуснижение(сучетомзнака)потенциалавлагивэтихпленках.Крометого, при утяжелении гранулометрического состава уменьшается и размер пор между отдельными частицами, что также ведет к заполнениюэтихпорприболеенизкихпотенциалах.Этоприводитктому,что по мере утяжеления гранулометрического состава потенциал влаги присоответствующейконстантебудетуменьшаться.Поэтомуибыли предложены так называемые «секущие»в отличие от прямых параллельных оси абсцисс, которые используются в предложенных ранее подходах.Этисекущиерасположеныподугломкосиабсцисс(«влажностей») и отделяют различные состояния влаги (рис. VII.10).

Были также получены и аналитические выражения, описывающиеуравненияэтих«секущих».Еслииспользоватьединицы,которые более широко распространены в практической физике почв, т.е. см водного столба, или pF, а влажность также выражать в массовых долях (W, г/г), то предложенные А.Д.Ворониным уравнения будут иметь следующий вид:

pFМАВ 5.2 3W; pFММВ 2.17 3W ; pFМКСВ 2.17 W ; pFКВ 2.17.

Приведенныевышеуравненияполучилиназваниеуравнений«секущих»Воронина.