Поиск

Формы воды в почве
26.06.2015

Можно представить себе почву, совершенно лишенную воды, следовательно как массу, состоящую из смеси зерен различных безводных минералов, например кварца, полевого шпата, окиси железа и т. д. Однако в природе таких почв нет, — они всегда содержат в себе то или иное количество воды.
Исследование воды, находящейся в почве, покапывает, что она является здесь телом неоднородным, что разные части этой воды обладают существенно различными свойствами, иначе говоря, в почве мы имеем различные формы воды. Это обстоятельство заставляет признать, что почва не является простым приемником, сосудом для воды, а представляет собой мощный трансформатор, который в состоянии существенно изменять состояние и свойства различных частей воды.
Убедиться в наличии в почве различных форм воды можно с помощью ряда следующих простых опытов.
Опыт 1-й. Boдa, связанная с почвой физически и связанная химически. Известно, что если мы сырую почву нагреем до 100—110° C, то вода через некоторый период времени испарится. Такую почву, высушенную при 100—110° С, называют абсолютно-сухой почвой. Однако если нагревать почву выше 110° С, то она вновь начнет терять в весе, будут выделяться новые порции воды, и оказывается, что последняя из них выделяется только при температуре красного каления, т. е. около 500° С.
Из этого опыта следует, что в почве встречаются две формы воды, из которых одна не утратила основной своей константы, именно способности испаряться при 100° С. Эту часть воды мы называем формой, связанней с почвой физически. Вторая форма воды утратила свою основную характеристику, она не испаряется при 100° С, следовательно она связана с почвой какими-то иными, более прочными связями, и мы называем ее водой «химически связанной».
Количество химически связанной воды иногда бывает весьма значительным и достигает 5—7% от веса всей почвы. Определение этой воды имеет весьма существенное значение в почвоведении, так как она является показателем направления и энергии выветривания пород, показателем характера получающихся продуктов выветривания и т. д.
Вода, связанная физически, также неоднородна.
Опыт 2-й. Гигроскопическая вода. Если абсолютно-сухую почву оставить на открытом воздухе, то она прибавится в весе за счет поглощения парообразной воды из окружающего воздуха. Количество таким образом поглощаемой воды определяется степенью влажности окружающего воздуха. Наибольший размер поглощения осуществляется в атмосфере, насыщенной парами воды.
Свойство почвы поглощать парообразную воду из атмосферы называется вообще ее гигроскопичностью. Воду, таким образом поглощенную, называют гигроскопической водой, а то количество ее, которое поглощается в условиях атмосферы, насыщенной парами воды, называют максимальной гигроскопической водой, так как больше этого количества почва поглотить из атмосферы не может.
Явление гигроскопичности есть переход парообразной воды в капельно-жидкую форму, т. е. представляет собой случай конденсации воды. Обычным случаем конденсации является, как известно, конденсация воды на границе двух сфер, обладающих различными температурами, и в общем может быть названа явлением термической (температурной) конденсации.
В нашем опыте с почвой температура ее и окружающей атмосферы строго одинакова, следовательно причиной протекающего здесь процесса конденсации, причиной гигроскопичности почвы не может быть температура. В настоящее время принимают, что гигроскопичность почвы определяется поверхностной энергией твердых почвенных частиц. Соответственно этому данный вид конденсации паров воды называют молекулярной конденсацией, а самую гигроскопическую воду представляют в виде некоторой пленки, облекающей каждую почвенную частицу. Некоторые исследователи предполагают, что при влажности ниже максимальной гигроскопической эта пленка не является сплошной, она как бы разорвана; при максимальной гигроскопичности она сплошная и представляет собой слой в одну молекулу воды. Другие исследователи считают, по-видимому более правильно, что толщина пленки составляется 10—50 слоями молекул воды.
Величины максимальной гигроскопичности весьма различны для различных почв и колеблются от 1—2 до 7—8% и более от веса абсолютно-сухой почвы. Зависит эта величина как от химического состава почвы (главным образом от соотношения минеральной и органической частей), так главным образом от механического состава ее. Чем тоньше механический состав почвы, тем больше общая поверхность всех частиц, тем больше должна быть максимальная гигроскопичность. Поэтому наибольшие величины максимальной гигроскопичности принадлежат глинам и сильно гумусовым почвам, а наименьшие — пескам.
Связь между величиной максимальной гигроскопичности и поверхностью почвы так тесна, что ряд исследователей, как мы упоминали выше, предлагает определять последнюю по величине максимальной гигроскопической воды.
Гигроскопическая вода почвы сохраняет одну из своих констант, именно она полностью испаряется при 100° С, однако другие свойства ее существенно изменяются. Так температура замерзания ее опускается значительно ниже 0° С, и последние порции ее не замерзают даже при -78° С. Это своеобразие объясняется громадным молекулярным давлением, под которым находится гигроскопическая вода и которое измеряется величинами порядка 10000—25000 атмосфер.
В связи с этим стоит важное агрономическое свойство гигроскопической воды, заключающееся в том, что она совершенно не усваивается корнями растений, следовательно сосущая сила этих последних меньше сил связи воды с почвенными частицами.
Опыт 3-й. Максимальная молекулярная и капиллярная, или гравитационная, вода. Почва вообще может удерживать в себе количества воды значительно большие, чем ее максимальная гигроскопичность. Оказывается, что та вода, которая находится в почве сверх этого предела (максимальной гигроскопичности), также неоднородна по своим физическим свойствам, что легко установить следующим опытом.
Возьмем высокую трубку, например в 2 м, и наполним ее однородным грунтом, например песком. Затем будем сверху фильтровать через колонну воду до тех пор, пока весь воздух из пор будет вытеснен. Возможно произвести это полное насыщение песка водой и снизу по принципу сообщающихся сосудов. После этого подачу воды в колонну прекратим. Мы заметим, что некоторое время вода из колонны будет продолжать стекать, а затем сток прекратится. Этот момент обозначает, что в колонне установилось равновесие в распределении воды. Если мы определим теперь в нашей колонне послойно влажность, то получим следующий ряд, показанный в таблице 19.

Формы воды в почве

В цифрах таблицы мы наблюдаем следующее: в нижних слоях колонны, до 20 см, влажность песка лежит около 18%; затем в интервале от 20 до 60 см влажность быстро падает до 3%, а затем выше до самого конца влажность измеряется однообразной величиной около 2,5% (небольшие колебания цифр есть следствие обычной неравномерности набивки трубки, аналитических погрешностей и т. д. и потому мы в праве их игнорировать).
Схематически это распределение влажности показано на чертеже 12, где по ординате отложены высоты колонны, а по абсциссе — весовой процент влажности. Мы видим, что график слагается из трех элементов: 1) нижней зоны равномерной высокой влажности; 2) средней зоны изменяющейся (уменьшающейся) влажности и 3) верхней зоны равномерной низкой влажности.
Формы воды в почве

Исследования показывают, что для однородных грунтов тип этого графика (в момент равновесия) совершенно закономерен и выдерживается при различных условиях. Если мы возьмем грунты различного механического состава, то изменения будут выражаться только в абсолютных величинах влажности различных зон и в вертикальной протяженности их. Так для грубого песка величины влажности будут вообще меньше, а нижняя зона высокой и переходной влажности короче. Наоборот, для глинистых грунтов процент влажности во всех зонах будет выше, а зона высокой и переходной влажности может занимать 2—3 м, и только выше будет постоянная низкая влажность.
Затем тип графика и его количественное выражение, оказывается, остаются для данного грунта одними и теми же независимо от того, находится ли нижний конец колонны в воздухе или же опущен в воду. Это последнее обстоятельство показывает, что данный тип распределения влажности соответствует тому, который будет в естественных условиях в однородном грунте над уровнем грунтовой воды. Наблюдения в природе в общем подтверждают это (черт. 13).
Формы воды в почве

Если исследовать поведение воды в разных зонах нашего графика, то оказывается, что оно различно, следовательно мы имеем здесь дело с разными формами воды. Оказывается, что вода двух нижних зон способна передвигаться под влиянием силы тяжести, тогда как вода верхней зоны силе тяжести как бы не подчиняется. Это различие легко доказывается следующим образом: если мы удлиним нашу колонну снизу, то окажется, что обе нижних зоны влажности переместятся также вниз, вода стечет под влиянием силы тяжести. Это новое положение показано на чертеже 12 внизу пунктиром. Наоборот, если мы в пределах третьей зоны влажности возьмем колонну гораздо более низкую или, наоборот, более высокую, то оказывается, что степень влажности во всех случаях практически (в первом приближении) остается одинаковой. Следовательно при увеличении высоты колонны, при увеличении высоты столба воды, в ней заключенного, эта вода остается равномерно распределенной, не стекает вниз, она не подчиняется силе тяжести.
Это различие в поведении воды в разных зонах колонны и обязывает выделять здесь две физически различающихся формы воды, связанные с почвенными частицами различными силами.
Эта связь понимается в настоящее время следующим образом. Две нижних зоны есть область капиллярного поднятия воды в данном грунте, иначе говоря, это вода — удерживаемая силой водных менисков. Наличие в этой области все же двух зон объясняется тем, что капилляры в грунте очень не однородны по своему диаметру, поэтому нижнюю зону нужно понимать как зону заполнения водой как крупных, так и мелких капилляров, зону же среднюю — как заполненную только в Части все более и более мелких капилляров. Следовательно верхнюю границу второй зоны мы принимаем как предел капиллярного поднятия воды данным грунтом. Прямые опыты капиллярного насыщения грунта водой в общем вполне подтверждают это понимание явления. Учитывая основное свойство капиллярной воды, заключающееся в способности передвигаться под влиянием силы тяжести, мы называем эту воду гравитационной.
Здесь необходимо отметить, что в высокой колонне, даже в самой нижней ее части, не все поры почвы оказываются заполненными водой. Так в нашем случае полное заполнение пор дает влажность около 22% против 18%, наблюдаемых в высокой колонне. Полное заполнение наблюдается лишь в низкой колонне около 10 см высотой. Это различие между общей порозностью и степенью заполнения их водой по-видимому уменьшается по мере уменьшения диаметра частиц, так что для суглинков и глин практически эти величины становятся почти одинаковыми.
Выше зоны капиллярного поднятий вода удерживается в почве очевидно уже не силой водных менисков, а какой-то другой. В качестве таковой может быть только сила молекулярного притяжения воды поверхностью почвенных частиц. Соответственно этому данную форму воды мы должны считать как форму молекулярно связанную.
Выше мы уже установили одну форму молекулярно связанной воды, именно воду гигроскопическую. Наблюдаемая нами сейчас вода в верхней части почвенной колонны не идентична воде гигроскопической, так как количественно превосходит величину максимальной гигроскопичности данной почвы от 2 до 6 раз в различных грунтам. Соответственно этому различие между этими двумя формами воды предcтавляется таким образом: действие молекулярных сил притяжения поверхности частиц почвы распространяется в направлении перпендикулярном к поверхности частиц по радиусу на расстояние, измеряемое величинами порядка 0,056—0,006 микрона. На протяжении этого радиуса действия сил может поместиться, повидимому, до 100 молекул воды, и тогда молекулярные силы почвенной частицы будут полностью насыщены. Иначе говоря, за счет молекулярных сил поверхностного притяжения почвенная частица может быть окружена пленкой воды толщиной в 100 рядов молекул воды. При этом очевидно, что внутренние слои этой пленки будут связаны с почвенной частицей наиболее прочно, и эту-то часть воды мы и называем гигроскопической водой. Выше мы упоминали, что разные исследователи принимают толщину слоя гигроскопической воды от 1 до 50 молекул.
Во всяком случае в пределах этой сферы молекулярные силы оказываются настолько значительными, что способны притягивать парообразную воду из атмосферы. За пределами этой сферы молекулярные силы более слабы, и они насыщаются только в случае соприкосновения с капельно-жидкой водой, как это и происходит в случае прямого смачивания почвы водой. Эти внешние слои молекулярно связанной воды, в отличие от внутренних слоев, называют максимальной молекулярной влажностью почвы, или для краткости «пленочной» водой почвы.
Несмотря на то что пленочная вода связана с почвой меньшими силами притяжения, чем вода гигроскопическая, тем не менее эти силы все еще громадны. Так при центрофугировании влажной почвы оказывается, что при ускорениях, лежащих в пределах 18 000—70 000 д (ускорений силы тяжести), вся гравитационная вода из почвы удаляется, но пленочная остается незатронутой.
Соответственно такой прочности связи эта вода находится в особом отношении к растению, а именно максимальная молекулярная влажность отвечает, повидимому, так называемому коэффициент увядания растений. Это значит, что при этой влажности почвы сосущая сила корней растений становится равнозначной силе связи воды с почвой, подача воды в растение становится затрудненной, и оно начинает увядать.
В США весьма широко развито понятие так называемой «эквивалентной влажности». Под этим понимают ту степень влажности почвы, которая остается в ней после центрофугирования в течение 40 мин. с ускорением, равным 1 000 g.
Для различных почв абсолютные величины эквивалентной влажности весьма различны; для песчаных почв они менее 10%, для глинистых могут достигать 50% от веса сухой почвы, но физическое состояние воды во всех случаях предполагается одинаковым, вода удерживается здесь с одинаковой силой, что нужно понимать в том смысле, что толщины водяных пленок около почвенных частиц во всех случаях равны. Однако величины «эквивалентной влажности» американцев не отвечают величине максимальной молекулярной влажности, они выше последней обычно в 1,5—3 раза, а в среднем в 1,74 раза. Это объясняется тем, что прилагаемое в этом методе усилие в 1 000 д не достаточно для удаления всей капиллярной влажности, для чего необходимо, как выше упомянуто, усилие не менее 18 000 g. Американские исследования показывают, что среднее отношение между «эквивалентом влажности» и «коэффициентом завядания» равно 1,24. Среднее отношение между «эквивалентом влажности» и максимальной молекулярной влажностью, как указано выше, было определено в 1,74. Эти величины одинакового порядка, что подкрепляет предположение, что коэффициент завядания растений вероятно должен совпасть с величиной максимальной молекулярной влажности данной почвы.
Величины максимальной молекулярной влажности почвы сильно варьируют в зависимости от механического состава почвы. Для песков они измеряются величинами от 1,5% воды от веса почвы, для суглинков лежат, повидимому, в пределах 15—17%, а для глин могут подниматься до 30%.
Эти величины по самому их смыслу должны быть прямой функцией размера суммарной поверхности почвенных частиц, что и дало повод А. Лебедеву предложить эту величину для характеристики механического состава почвы, о чем мы упоминали выше в главе о механическом составе.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Введите два слова, показанных на изображении: *