Поиск

Физически связная вода в почвах
29.10.2015

Вода является своеобразной жидкостью с особыми, присущими только ей свойствами. Она состоит из рыхло ассоциированных молекул с ясно выраженными дипольными свойствами. Так как вода имеет весьма высокую диэлектрическую постоянную (76—80) и нейтральную реакцию, то высокодисперсные минеральные и органические частицы почв по отношению к воде заряжены преимущественно отрицательно. Молекулы воды легко и прочно поглощаются, сорбируются огромной поверхностью почвенных пор и дисперсных частиц, образуя пленки ориентированных диполей воды. Степень ориентированности и прочность фиксации сорбированных молекул воды наибольшие вблизи поверхности почвенных частиц и постепенно убывают но мере удаления от частиц, во внешних слоях полимолекулярных пленок.
По степени подвижности (прочности связи) различаются две формы сорбированной воды: прочносвязанная — гигроскопическая и рыхлосвязанная — пленочная.
Физически прочносвязанная (гигроскопическая) вода. Всякая почва в воздушно-сухом состоянии содержит некоторое (обычно небольшое) количество гигроскопической воды, адсорбированной из водяных паров почвенного воздуха поверхностью твердых частиц. Гигроскопическая вода находится в почвах в состоянии, близком к твердому телу, и удерживается у поверхности почвенных частиц очень высоким давлением — 10 000 — 20 000 атм.
Плотность прочносвязанной воды в почве значительно выше, чем плотность свободной воды, и достигает величин порядка 1.5—1,8. Haxoдясь в прочносвязанном состоянии, гигроскопическая вода может передвигаться, лишь переходя в форму пара, что зависит от изменений температуры и влажности почвенного воздуха. Гигроскопическая вода может быть отдана почвой полностью только при температуре 105—110°C. Вследствие своей неподвижности она не растворяет и не перемещает питательных веществ и солей в почвах и физиологически полностью недоступна для растений. Диполи сорбированной воды ориентированы вокруг почвенных частиц и как бы фиксированы силами притяжения. Гигроскопическая вода окутывает частицы почв очень тонкой пленкой, состоящей из нескольких молекулярных слоев, уменьшая свободный поровый объем.
Содержание гигроскопической воды зависит от механического состава почв и грунтов, значительно возрастая в гумусных, торфянистых, глинистых почвах и уменьшаясь в супесчаных и песчаных. На содержание гигроскопической воды в почве влияют также температура и влажность воздуха. Если навеску почвы в течение длительного времени оставить в атмосфере, близкой к полному насыщению парами воды, то будет происходить медленное увеличение содержания гигроскопической влаги. Однако с определенного момента увеличение содержания гигроскопической влаги прекратится. Влажность почвы достигнет уровня максимальной гигроскопичности.
Физически рыхлосвязанная (пленочная) вода. Свободная поверхностная энергия высокодисперсных почвенных частиц способна довольно прочно удерживать, кроме сорбированных паров, некоторое количество влаги, являющейся своеобразной многомолекулярной пленкой вокруг частиц, в углах их стыка, внутри мельчайших пор. Сила, с которой удерживается такая рыхлосвязанная (пленочная) вода у поверхности почвенных частиц, измеряется значительно меньшим давлением — 1 — 10 атм.
По физическому состоянию пленочная вода находится как бы в вязко-жидкой форме. Предполагается, что рыхлосвязанная (пленочная) вода представлена сотнями рядов диполей, последовательно облекающих один другой. Степень ориентированности и фиксированности диполей воды в пленке значительно меньшая, чем в случае с гигроскопической водой.
По-видимому, в этой сложной и разнородной категории почвенной влаги имеются постепенные переходы к собственно капиллярной воде в углах стыков частиц и тонких порах. Пленочная вода способна передвигаться в различных направлениях от участков большей влажности (большей толщины пленки) к меньшей, т. е. от большего числа молекулярных слоев воды к их меньшему числу. Однако скорость этого движения чрезвычайно незначительна. Пленочная вода ограниченно доступна для растений. Осмотическое давление внутриклеточного сока растений позволяет корневым волоскам всасывать эту воду. Ho из-за крайне малой подвижности пленочной воды растение расходует запас влаги быстрее, чем он восстанавливается, вследствие чего в жаркую сухую погоду растение начинает вянуть.
Лабораторные опыты и наблюдения в полевых условиях свидетельствуют о том, что пленочная вода способна растворять и передвигать соли. В частности, передвигаясь к месту испарения, пленочная вода может переносить соли в почве в горизонтальном или вертикальном направлении на 4—6 м. Замерзание пленочной воды затруднено. Есть данные, что она замерзает лишь при температуре ниже минус 70, 80°.
Наибольшее содержание рыхлосвязанной воды (пленочной) в грунтах и почвах называется, по А.Ф. Лебедеву, максимальной молекулярной влагоемкостью (MMB). При содержании воды в почве, близком к уровню ММВ, влага нередко конденсируется и появляется капиллярная вода. Поэтому граница между этими двумя формами воды в почве условна.
Величина влажности почвы при содержании в ней пленочной (рыхлосвязанной) влаги всегда выше максимальной гигроскопичности, но не выше максимальной молекулярной влагоемкости.
Прочно- и рыхлосвязанная вода занимает иногда значительный объем и уменьшает сечение внутренних пор и капилляров (иногда на 20—40%). В почвах и грунтах тяжелого механического состава физически связанная вода может целиком заполнить тонкие поры, что приводит к водонепроницаемости.