Курс лекций по почвоведению (стр. 32 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 |
Это во многом зависит от температуры почвы. При ее увеличении возрастает давление водяного пара и пар начинает передвигаться к менее прогретым горизонтам. Именно поэтому при большой амплитуде колебания температуры воздуха в дневное и ночное время могут возникать восходящие и нисходящие потоки движения парообразной воды. По мере снижения температуры водяные пары способны конденсироваться на поверхности почвенных частиц и переходить, таким образом, в жидкое состояние.
Вода, которая находится в почве в парообразном или жидком состоянии, подвергается действию сорбционных, капиллярных, осмотических и гравитационных сил.
Эти силы могут существенно изменить свойства воды, уменьшить или увеличить ее подвижность, а соответственно и доступность растениям.
Сорбционные силы обусловлены свободной поверхностной энергией, присущей почвенным частицам и воде. Благодаря этой энергии почвенные частицы способны притягивать к себе дипольные молекулы воды.
Такой процесс называется сорбционным (сорбцией), а само явление — гидратацией. Благодаря этому явлению вокруг ионов и коллоидных частиц может образоваться водная оболочка
Капиллярные силы, их еще называют менисковыми, обусловлены поверхностным натяжением воды и явлениями смачивания.
На поверхности воды существует своеобразная пленка, обладающая поверхностным натяжением и определенным количеством свободной энергии.
Благодаря этой свободной энергии вода может смачивать поверхность большинства тел. Явление смачивания вызывает образование вогнутого мениска, т. е. искривление поверхности жидкости у стенок сосуда, в который она заключена.
Образование вогнутого мениска ведет к уменьшению поверхностного давления и соответственно к поднятию воды по капиллярам.
Существует обратная зависимость высоты капиллярного поднятия воды от радиуса каппилляра.
Менисковые, или капиллярные, силы начинают проявляться в порах диаметром менее 8 мм.
Наибольшей капиллярной силой обладают поры размером от 100 до 3 мкм. Гранулометрический состав почв и грунтов влияет на высоту капиллярного поднятия воды.
Благодаря воде, передвигающейся под действием капиллярных сил, в засушливые периоды года может происходить пополнение запасов влаги в пахотном горизонте почвы, а также перемещение водорастворимых солей, коллоидов, тонких суспензий из нижних горизонтов в верхние.
Осмотическое давление. Влага, которая находится в почве, при взаимодействии с ее твердой и газообразной фазами, корнями растений и живыми организмами обогащается различными водорастворимыми соединениями и превращается в почвенный раствор.
Этот раствор вследствие взаимного притяжения растворенного вещества и молекул воды обладает определенным осмотическим давлением.
В почве осмотическое давление возникает при взаимодействии воды и обменных ионов, а также в тех случаях, когда почвенный раствор имеет неодинаковую концентрацию в его различных частях.
Благодаря осмотическим силам вода в почвенной толще способна передвигаться от участков с низкой концентрацией к участкам с большей концентрацией. При этом способность раствора с большей концентрацией притягивать к себе молекулы воды из раствора с меньшей концентрацией иногда называют всасывающим давлением раствора.
Под действием гравитационных сил свободная влага, находящаяся в крупных порах, может передвигаться из верхних горизонтов в нижние и уходить за пределы почвенного профиля.
Для оценки совокупного действия сил, под влиянием которых вода находится в почве, введено понятие «потенциал почвенной влаги». Он характеризует энергию, с которой почва удерживает воду.
Если почва полностью насыщена водой и не содержит солей, то потенциал ее влаги равен нулю. С уменьшением влажности значение данного показателя возрастает и почва приобретает способность поглощать чистую воду. Такая способность почвы называется ее сосущей силой.
Величина этой силы у сухих почв может достигать 10 тыс. атм.
Вода в почве подвергается воздействию различных сил и характеризуется различной подвижностью и соответственно неодинаковыми свойствами и доступностью растениям, поэтому ее принято делить на категории и формы.
Выделяют следующие категории почвенной влаги.
Кристаллизационная вода. Эта вода входит в состав кристаллических решеток минералов и характеризуется полной неподвижностью и недоступностью для растений.
Связанная вода. Она удерживается в почве за счет сорбции парообразной и жидкой влаги на поверхности ее твердой фазы.
Подразделяется на две формы: прочносвязанную и рыхлосвязанную.
Прочносвязанная вода удерживается на поверхности почвенных частиц и образует вокруг них тонкую пленку, состоящую из двух-трех слоев молекул воды. Эта влага называется гигроскопической. Являясь чрезвычайно прочно связанной с твердой фазой почвы, она неподвижна, совершенно недоступна растениям, не растворяет растворимые в свободной воде вещества, обладает более высокой плотностью и более низкой, чем свободная влага, температурой замерзания.
Рыхлосвязанная вода образуется при соприкосновении почвенных частиц с водой, находящейся в жидком состоянии. Она представляет собой дополнительную водную пленку, расположенную вокруг прочносвязанной влаги.
Толщина пленки достигает нескольких десятков молекул воды, которые могут передвигаться под действием сорбционных сил от одних почвенных частиц к другим.
Свободная влага. Свободной влагой называется влага, которая находится в жидком состоянии и передвигается в почве под действием капиллярных и гравитационных сил. В зависимости от интенсивности проявления этих сил свободная влага также делится на две формы:
капиллярную и гравитационную.
Капиллярная влага находится в капиллярных порах и передвигается в них за счет капиллярных сил.
Подразделяется на капиллярно-подпертую и капиллярно-подвешенную.
Капиллярно-подпертая влага формируется при увлажнении почвы грунтовыми водами, которые снизу как бы подпирают влагу, находящуюся над ними в капиллярных порах. При этом слой почвы, заполненный капиллярной влагой и расположенный непосредственно над грунтовыми водами, называется капиллярной каймой.
Капиллярно-подвешенная влага создается из атмосферных осадков или при поливе почвы. Существует несколько ее разновидностей, среди которых наибольший интерес представляют стыковая, внутриагрегатная и сорбционно-замкнутая влага.
Стыковая капиллярно-подвешенная влага расположена в виде отдельных скоплений вокруг точек соприкосновения почвенных частиц. Она удерживается в почве с помощью капиллярных сил и характерна, как правило, для песчаных почв.
Внутриагрегатная капиллярно-подвешенная влага удерживается капиллярными силами в капиллярных порах, расположенных внутри почвенных комков.
Сорбционно-замкнутая влага расположена в некапиллярных порах, изолированных перемычками связанной воды. Эта разновидность капиллярно-подвешенной влаги удерживается в. почве с помощью сорбционных сил.
Капиллярно-подвешенная влага доступна для растений и сохраняется в почве длительное время. Ее количество во многом зависит от гранулометрического состава почвы. Чем тяжелее почва, тем больше капиллярно-подвешенной влаги может накапливаться в ней.
Подвешенная (1) и подпертая (2) капиллярная влага.
ГВ – грунтовые воды; В – водоупор
Гравитационная влага. Это вода, которая находится в крупных порах. По этим порам она может передвигаться вниз под действием силы тяжести; доступна для растений и подразделяется
на просачивающуюся воду и
воду водоносных горизонтов.
Просачивающаяся влага — это влага, которая передвигается сверху вниз под действием силы тяжести.
Влага водоносных горизонтов располагается над водоупорным слоем и удерживается в пределах почвенного профиля за счет его непроницаемости. Наличие в почвенной толще избыточного количества свободной гравитационной влаги — нежелательное явление, так как способствует развитию заболачивания.
1.2.Водные свойства почвы
Водными (водно-физическими, гидрофизическими) свойствами называют совокупность свойств почвы, которые определяют поведение почвенной воды в ее толще. Наиболее важными водными свойствами являются:
водоудерживающая способность почвы,
1.2.1.Водоудерживающая способность почвы
Водоудерживающая способность — способность почвы удерживать содержащуюся в ней воду от стекания под влиянием силы тяжести.
Количественной характеристикой водоудерживающей способности почвы является ее влагоемкость.
Влагоемкость почвы — способность поглощать и удерживать наибольшее количество воды. Выражается в процентах от массы сухой почвы.
Выделяют следующие виды влагоемкости:
Максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ) — наибольшее количество воды, которое может быть удержано сорбционными силами на поверхности почвенных частиц. Соответствует прочносвязанной (адсорбированной) воде, содержащейся в почве.
Максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ) — характеризует верхний предел содержания в почвах рыхлосвязанной (пленочной) воды, т. е. воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности почвенных частиц.
ММВ определяется в основном гранулометрическим составом почв. В глинистых почвах она может достигать 25—30%, в песчаных — не превышает 5—7%.
Капиллярная влагоемкость (KB) — наибольшее количество капиллярно-подпертой воды, которое может удерживаться в слое почвы, находящемся в пределах капиллярной каймы.
Определяется она в основном скважностью почв и грунтов. Кроме того, она зависит и от того, на каком расстоянии слой насыщенной влаги находится от зеркала грунтовых вод. Чем больше это расстояние, тем меньше КВ. При близком залегании грунтовых вод (1,5—2,0 м), когда капиллярная кайма смачивает толщу до поверхности, капиллярная влагоемкость наибольшая (для 1,5 м слоя среднесуглинистых почв 30—40%). KB не постоянна, так как находится в зависимости от уровня грунтовых вод.
Источник
СИЛЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ В ПОЧВЕ
Парообразная и жидкая вода, поступающая в почву, подвергаются воздействию различных сил: сорбционных, капиллярных, гравитационных и осмотических.
Сорбционные силы.Почва как дисперсная система имеет развитую удельную поверхность, с которой тесно связано проявление свободной поверхностной энергии. Свободная поверхностная энергия возникает при формировании мелкозема, особенно его илистой и коллоидной частей. Энергия ионов, атомов и молекул, связанных в кристаллических решетках минералов, уравновешена. При дроблении и диспергировании минералов часть ионов, атомов и молекул выходит на поверхность и оказывается под действием неуравновешенных сил. Их энергия становится некомпенсированной, т. е. образуется свободная поверхностная энергия. Чем выше степень дисперсности почвы, тем больше величина ее свободной поверхностной энергии.
При необратимых термодинамических процессах, совершающихся на земной поверхности, согласно второму закону термодинамики дисперсные системы стремятся уменьшить свою поверхность и соответственно свободную поверхностную энергию. Это осуществляется двумя путями. В первом случаев результате снижения агрегативной устойчивости дисперсной системы, что ведет к слипанию частиц и уменьшению удельной поверхности. Во втором случае уменьшение величины свободной поверхностной энергии происходит без изменения степени дисперсности системы вследствие поглощения твердыми частицами газов, паров, а также молекул и ионов из растворов, которые насыщают неуравновешенные силы на их поверхности. Такое явление называют адсорбцией.
Изсмеси газов и паров поверхностью частиц преимущественно поглощается тот компонент, адсорбция которого сопровождается максимальным уменьшением свободной энергии, т. е. который лучше «смачивает» твердую поверхность. для почв таким компонентом служит водяной пар, поэтому поверхность частиц твердой фазы почвы, находящихся в соприкосновении с атмосферным воздухом, представляющим собой смесь газов и паров, обычно покрыта слоем молекул воды, а не молекул азота или кислорода, несмотря на то, что парциальное давление этих газов в воздухе выше, чем давление водяного пара. По мере увеличения количества адсорбированного водяного пара (увеличения влажности почвы) количество адсорбированного воздуха резко уменьшается и доходит до нуля.
Явление смачивания наблюдается и при соприкосновения жидкой фазы с поверхностью твердых частиц почвы. Смачивание происходит благодаря тому, что взаимодействие между молекулами воды слабее, чем притяжение их к поверхности почвенных частиц. Поэтому, соприкасаясь в процессе теплового движения с частицами почвы, водные молекулы вырываются из жидкой среды и прилипают к твердым частицам, распространяясь по их поверхности и смачивая её. При взаимодействии парообразной н жидкой влаги с твердой фазой почвы имеет место физическая адсорбция, при которой молекулы воды, сорбированные на поверхности почвенных частиц, сохраняют свою индивидуальность.
Капиллярные силы.Существенный вклад в удержание и передвижение жидкой плати в почве вносят капиллярные, или менисковые, силы. Они возникают в капиллярных порах на границе раздела «твердая фаза почвы – вода-воздух» и обусловлены поверхностным натяжением воды, а также смачиванием.
Поверхностный слой воды по своим свойствам отличается от ее внутренних слоев. Молекулы воды, находясь в тепловом движении, одновременно участвуют в молекулярном взаимодействии. Внутри жидкости каждая молекула окружена со всех сторон другими молекулами и испытывает одинаковое притяжение во всех направлениях. Поэтому она находится в относительном покое.
Иные условия складываются на границе раздела «вода-воздух». Молекулы поверхностного слоя жидкости испытывают действие сил притяжения преимущественно со стороны молекул, находящихся ниже поверхности раздела. Силы притяжения, направленные внутрь жидкости, стремятся втянуть туда молекулы, расположенные на ее поверхности. Воздух как среда, менее плотная по составу молекул, не может оказать противодействия этим силам. Поэтому поверхность любой жидкости стремится к сокращению.
Следующая особенность молекул воды, расположенных на поверхности, заключается в том, что их свободная энергия уравновешивается лишь в той части, которая обращена в сторону жидкости. Часть молекул, обращенных к воздуху, оказываются энергетически некомпенсированными и служат источником избыточной поверхностной энергии, которая также стремится к уменьшению.
Проявление в поверхностном слое сил молекулярного притяжения и избыточной поверхностной энергии влечет за собой образование на поверхности воды подобия пленки. Такая пленка характеризуется поверхностным натяжением (или поверхностным давлением), представляющим собой разницу между атмосферным давлением и давлением жидкости.
Поверхностное давление, развивающееся под плоской поверхностью жидкости, называют нормальным. Когда поверхность жидкости имеет вид выпуклого мениска, поверхностное давление под ним будет больше нормального. Под вогнутыми менисками поверхностное давление меньше нормального. Эту разницу называют отрицательным капиллярным давлением. Благодаря ему в капиллярах над вогнутым мениском возникает подобие вакуума, который и поднимает за мениском столбик воды, заполняющей капилляр.
Поскольку в целом вода хорошо смачивает почвенные частицы, в почвах образуются только вогнутые мениски. При этом чем больше кривизна менисков, т. е. чем уже капилляры, тем выше отрицательное капиллярное давление. С ним связаны способность почв удерживать определенное количество жидкой влаги и передвижение воды по капиллярным порам.
Гравитационные силы. Жидкая вода находится под действием гравитационных сил или силы тяжести. В результате проявления этих сил происходит вертикальное или в соответствии с уклоном местности внутрипочвенное боковое перемещение той влаги, которая не удерживается почвой за счет сорбционных и капиллярных сил.
Осмотические силы. Эти силы обусловлены взаимодействием ионов растворённых веществ с молекулами воды и характеризуются осмотическим давлением почвенного раствора. Если осмотическое давление почвенного раствора равно или выше осмотического давления клеточного сока растений, то поступление воды в растения, независимо от уровня влажности почвы прекращается.
Источник
