книги из ГПНТБ / Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв

тельная доля того внимания, которое ранее уделялось механическому составу почвы, перенесено теперь на распределение пор по размерам.

Обычно распределение почвенных частиц по размерам является, как говорят статистики, «нормальным», т. е. частицы некоторого размера встречаются чаще других, а по мере отклонения размеров частиц в любую сторону от этого наиболее частого распределения подобные частицы встречаются все реже.1 Нередко такое распреде­ ление частиц приводит к «нормальному» распределению пор по размерам. Легко видеть, что почва, в которой преобладают крупные частицы, будет иметь поры, размеры которых велики по сравнению с порами в более тонкодисперсном материале. Небольшая доля мелких частиц, находящихся в порах между преобладающими крупными частицами, может существенно изменить как распределе­ ние пор по размерам, так и саму общую пористость. Поскольку механический состав почвы (т. е. распределение первичных частиц по размерам) обычно тесно коррелирует со сложением почв («легкие» и «тяжелые» почвы в агрономии), распределение пор по размерам, соответствующее первичным частицам, обычно называют «текстурным распределением пор по размерам», а пористое пространство, опре­ деляемое пространственным распределением первичных частиц поч­ вы, — «текстурным12 пористым пространством».

6.4. Структурное пористое пространство

Коллоидная фракция почв и, в частности, органическое вещество обладают способностью агрегировать индивидуальные первичные частицы в комки и глыбки. Явления, вызывающие агрегацию, изучены недостаточно, но соответствующие факты хорошо известны. В хорошо оструктуренной почве первичные частицы скреплены и образуют агрегаты и комки; связи между частицами внутри агре­ гата гораздо прочнее, чем между агрегатами. Хотя размер агрегата непостоянен и может варьировать в сезонном цикле выветривания, однако в течение коротких периодов времени агрегаты сохраняют свою индивидуальность, несмотря на разрушающие воздействия.

Устойчивость агрегатов по отношению к разрушающим силам имеет большее значение, чем просто существование агрегатов в данный момент. Агрегаты могут образоваться при растрескивании дисперс­ ных коллоидных материалов в ходе сушки и в таком случае являются просто результатом усадки. Такие агрегаты не сохраняются при повторном увлажнении и диспергировании. Структура, как мы увидим далее, имеет наибольшее значение для влажных почв. Здесь она обеспечивает оптимальное распределение влаги и аэрацию в условиях, при которых это особенно необходимо. Поэтому наличие элементарных агрегатов, являющихся результатом растрескивания

1 Строго говоря, приведенное определение указывает на то, что распре­

деление имеет один максимум, но отнюдь не «нормально» в статистическом смысле. — Прим. ред.

2 Английский термин texture не совпадает с русским понятием «текстура».

«Текстурный» в данном тексте обозначает «относящийся к механическому составу». — Прим, перев.

Методы измерения можно подразделить на три главные категории. ТЗо-первых, можно непосредственно, с помощью манометра, измерить давление внешнего водного тела, находящегося в равновесии с по­ ровой влагой. Во-вторых, можно привести внешнее водное тело в равновесие с почвой через паровую фазу и определить давление почвенной влаги (в данном случае обычно очень низкое) по состоянию внешнего тела (обычно по его осмотическому давлению). В-третьих, давление почвенной влаги можно измерить с помощью определения температуры замерзания воды в порах. Рассмотрим теперь эти методы подробнее.

7.2. Манометры, предназначенные для погружения в почву; пористые мембраны

Чтобы показать специфическую сложность измерений давления почвенной влаги манометрическими методами, необходимы некоторые сведения из главы 8, однако, по-видимому, имеет смысл рассмотреть здесь этот вопрос, не вдаваясь пока в детали. Говоря вкратце, когда давление почвенной влаги положительно (т. е. когда плюс к атмос­ ферному давлению имеется напор воды), почва водонасыщена. Воздуха в ней нет, кроме изолированных защемленных пузырьков. Такое состояние сохраняется до тех пор, пока давление не упадет сначала до нуля (по отношению к атмосферному), а затем до неко­ торой небольшой отрицательной величины (сосущей силы). При дальнейшем понижении давления (увеличения сосущей силы) вода вытекает из почвы, и часть пористого пространства занимает воздух, непосредственно связанный с внешней атмосферой. Таким образом, при положительных давлениях манометр, погруженный в почву, обязательно будет в контакте с почвенной водой и покажет ее давле­ ние. Когда же в почве имеется сосущая сила, отверстие манометра может и не контактироваться с водой. В этом случае он покажет атмосферное давление, так как почвенный воздух, связанный с ат­ мосферой, проникнет в колено манометра и уровень в обоих коленах будет одинаковым.

Преодолеть эти затруднения можно, заменив большое отверстие манометрической трубки множеством мелких отверстий. Некоторые из них при погружении в почву окажутся в контакте с воздухом другие — в контакте с почвенной водой. Эта ситуация изображена на рис. 7.1. Здесь сосущая сила на уровне отверстий измеряется расстоянием h от мениска в открытом плече манометра до уровня отверстий фильтра.

В Дополнении 11 главы 8 будет показано, что сосущая сила на водной стороне поверхности раздела вода — воздух, которая развивается в некоторых изображенных на рисунке отверстиях, приводит к искривлению этой поверхности. Когда геометрия системы допускает необходимую степень кривизны, наступает равновесие. Если отверстие манометра цилиндрическое, поверхность воды соеди­ няется с поверхностью твердой стенки, образующей отверстие, по

касательной, и потому кривизна поверхности раздела, когда послед­ няя несколько втянута в отверстие, равна кривизне сферы с радиусом R. Мениск такой кривизны может выдержать сосущую силу, равную 2T/R, где Т — поверхностное натяжение. При увеличении всасы­ вания радиус кривизны уменьшается, поверхность раздела втяги­ вается еще глубже и кривизна увеличивается. Предел кривизны достигается, когда поверхность раздела превращается в полусферу радиуса г, где г — радиус отверстия. Поскольку поверхность раздела должна касаться твердой стенки, дальнейшее уменьшение радиуса

невозможно, и мениск не мо­

влаги. Достаточное количество мелких отверстий получают, применяя в датчиках манометра пластины пористого материала с такими размерами пор, которые определяются величиной сосущей силы, подлежащей измерению. Большие сосущие силы требуют меньших

равновесия затягивается без необходимости. Для сосущих сил до 150—200 см вод. ст. можно использовать бумажные фильтры или стеклянные шоттовские пластинки, для сосущих сил порядка поло­ вины и трех четвертей атмосферы пригодны неглазурированные керамические и фарфоровые пластинки. Для самых больших сосущих сил используются пленочные мембраны из целлофана или ацетатцеллюлозы.

7.3. Формы тензиометров

Прибор, предназначенный для измерения сосущей силы почвен­ ной влаги и состоящий из манометра и пористой мембраны, обычно называют тензиометром, особенно когда такой прибор предназначен для применения в поле. Впервые подобный прибор был создан Корневым [98].

Выбор формы тензиометра зависит от условий измерения. Когда исследуется образец почвы в лаборатории, пористую мембрану обычно помещают в бюхнеровскую во­ ронку или используют воронку со сте­ клянным шоттовским фильтром. Затем воронку резиновым или другим гибким шлангом соединяют с бюреткой так,

приготовленное гнездо на заданной глубине, обеспечивая хороший контакт с почвой. Поскольку зонд находится ниже уровня поверх­ ности, а отсчет по мениску берется над поверхностью почвы, жела­ тельно использовать ртутный чашечный манометр. Водопроводящую трубку зонда изгибают приблизительно на расстоянии 1 м над уровнем поверхности и конец опускают в чашечку со ртутью, нахо­ дящуюся на поверхности, как показано на рис. 7.2. При развитии всасывания ртуть в манометрической трубке поднимается. В равно­ весии, когда контакт между водой и ртутью находится на высоте hu всасывание на этом уровне равно к грт см водяного столба, где рт — удельный вес ртути. Если высота этого контакта над уровнем зонда в почве равна h2, то давление воды в зонде превышает давление на уровне контакта ртути и воды на величину h 2 см водяного столба. Следовательно, собственно сосущая сила почвы на уровне зонда есть /іір„, — h2 см водяного столба. Поскольку рт весьма велико,

на уровне зонда может иметь место всасывание, хотя h 2 и больше, чем hL.

Рассматривая условия измерения сосущей силы в поле, следует иметь в виду, что при установке тензиометра возможны существенные нарушения структуры и сложения почвы, например образование щелей, по которым легко может затекать вода с поверхности. В таких случаях измеренная сосущая сила не отражает то всасывание, которое имеет место в ненарушенном почвенном профиле.

Отметим еще один существенный с практической точки зрения момент. Обычно через какое-то время в зонде тензиометра обра­ зуются пузырьки воздуха. Возникновение пузырьков не полностью препятствует измерениям, как в случае прорыва менисков на мем­ бране и установления связи с атмосферой, однако служит источником погрешности. В тензиометрах поэтому предусматриваются устройства, позволяющие собирать и удалять накопившийся воздух, не извлекая тензиометр из почвы.

7.4. Пределы применимости тензиометров

Тензиометр перестает функционировать нормально в тот момент, когда действующая на него сосущая сила становится достаточной для проскока воздуха через какую-либо точку мембраны. Другой, и более основательный, недостаток состоит в том, что ни один ма­ нометр не может обеспечить всасывание, превышающее 1 атм. То, что мы называем всасыванием, есть давление меньшее, чем давление окружающей атмосферы. Например, на рис. 7.1 давление на мембране меньше атмосферного на h см водяного столба, т. е. представляет собой всасывание или сосущую силу величиной h см. Однако если высота h меньше, чем высота столба в водяном баро­ метре в тот же момент времени, то фактически имеет место остаточное положительное абсолютное давление. Когда высота h равна баро­ метрической высоте, т. е. когда для поддержания столба воды высо­ той h в закрытом плече манометра требуется полное давление ат­ мосферы на открытую поверхность воды в бюретке, абсолютное давление на верху закрытого плеча, т. е. на мембране, будет равно нулю.

Если попытаться еще увеличить всасывание, понизив уровень воды в бюретке, успеха можно добиться только в том случае, когда верхняя часть водяного столба в закрытом плече манометра (выше того отрезка, который поддерживается давлением атмосферы на открытую поверхность воды в бюретке) окажется подвешенной на нижней поверхности мембраны, т. е. будет испытывать растяже­ ние. В особых условиях вода обладает прочностью на растяжение, но обычно столб воды разрывается и в тензиометре, подобном изо­ браженному на рис. 7.1, вода уходит из-под пористой пластины или мембраны. Прибор становится по существу водяным барометром. Сосущая сила еще действует на верхушку закрытого плеча через паровую фазу, но прибор при этом уже не может создать сосущую силу более 1 атм. в контактирующей с ним среде.

7.5. Косвенное измерение высоких сосущих сил; относительная влажность воздуха

Сосущая сила и давление измеряются по отношению к произ­ вольно выбранному давлению, принимаемому за нуль. При выводе количественных зависимостей символ Р физически обозначает гидро­ статическое давление. Если это давление выше того, которое принято за нуль, Р положительно, если ниже — отрицательно и считается всасыванием, или сосущей силой. За нуль принимают обычно ат­ мосферное давление.

Когда, вследствие невозможности применить тензиометры при высоких сосущих силах, необходимо использовать косвенные методы, можно воспользоваться зависимостью давления водяного пара над поверхностью воды от разности гидростатического давления, возни­ кающей по обе стороны от этой поверхности. Давление пара зависит также и от осмотического давления раствора, поэтому если вода содержит растворенные вещества, данный метод не позволяет от­ личить гидростатическое давление от осмотического. В Дополне­ нии 8 показано, что наличие некоторого давления Р с водной сто­ роны поверхности раздела по отношению к давлению в воздухе

где М — молекулярный вес воды, р — ее плотность, R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура, а и а 0 — плотности пара, соответствующие его давлениям р и р 0. Если вода находится под действием всасывания, Р отрицательно и р меньше, чем р 0. Таким образом, для определения Р достаточно измерить р/р0. В Дополне­ нии 10 показано, что давление пара р над поверхностью раствора, осмотическое давление которого равно Р 0, в отсутствие межфазного перепада гидростатического давления связано с упругостью пара р 0, наблюдающейся при нулевом осмотическом давлении, соотношением, которое почти идентично уравнению (7.1), а именно

Когда существуют и гидростатическое, и осмотическое давления

Очевидно, что путем одного только измерения равновесной относительной влажности над почвенным образцом нельзя точно определить гидростатическое давление почвенной влаги. Неодно­ значность может быть устранена лишь при независимом определении осмотического давления почвенного раствора Р 0. В случае таких инертных материалов, как песок, трудности, связанные с осмоти­ ческим давлением, невелики, поскольку в подобном материале содержание растворенных ионов одно и то же во всем пористом пространстве. Поэтому, если можно извлечь небольшой образец

раствора, измерение пара над этим раствором позволяет определить осмотическое давление в отсутствие сосущей силы. В случае таких поверхностно-активных материалов, как глины, определение осмо­ тического давления вызывает те же затруднения, что и внутреннего гидростатического давления.

Известно, что осмотическое давление в диффузном слое меняется при удалении от поверхности частицы. Преодолеть затруднения можно, если определить осмотическое давление как давление внеш­ него объема раствора, находящегося в равновесии с почвой. Можно извлечь из почвы небольшую пробу почвенного раствора, не на­ рушив существенно влажность почвы и мало изменив состояние изучаемого раствора. В момент извлечения из почвы проба раствора

влияния твердой фазы раствор, который рассматривается в теории двойного слоя. Он, таким образом, представляет собой внешний объем раствора, необходимый для определения осмотического давле­ ния почвенного раствора, и это определение может быть выполнено обычным путем.

Если бы можно было собрать большое количество раствора того же химического состава, что и извлеченная проба, и заполнить им тензиометр, то при гидростатическом равновесии такой тензиометр находился бы в полном гидростатическом и осмотическом равновесии с почвенным раствором, поскольку отсутствовала бы тенденция как объемного перемещения массы вследствие разности гидростатического давления, так и диффузии растворенных ионов и молекул вследствие различий концентрации внешнего и почвенного растворов. Тем самым можно было бы осуществить измерение гидростатического и осмотического давления во внешнем объеме легко и независимыми методами. Приготовление подобного раствора в принципе возможно, но вряд ли необходимо, поскольку осмотическое давление может быть измерено в отжатой пробе раствора, которая должна бы служить образцом для приготовления большого объема, а гидростатическое давление можно измерить водяным тензиометром так, чтобы изме­ рение закончилось до того, как успела далеко зайти диффузия солей.

Методика измерения давления пара над почвенными образцами определяется тем, хотят ли измерить влажность, соответствующую заранее заданному значению сосущей силы, или будут решать об­ ратную задачу. В первом случае образец помещают в воздухонепро­ ницаемый сосуд, где находится большой объем вещества, поддер­ живающего известное давление пара. Обычно это раствор серной кислоты определенной концентрации. В табл. 2 содержатся данные о зависимости упругости водяного пара от концентрации растворов серной кислоты, по Вильсону [172]. Если влажность образца больше, чем равновесная, он испаряет влагу, а серная кислота ее сорбирует. Обратно, если образец имеет влажность меньше равновесной, он поглощает влагу из раствора кислоты. Равновесие достигается быстрее, если единственным газом в сосуде является водяной пар, поэтому обычно используют вакуумный эксикатор.