Поиск

Капиллярная вода в почвах
29.10.2015

Молекулы воды, находящиеся вблизи и на самой поверхности жидкости, испытывают притяжение со стороны массы молекул, лежащих ниже поверхности раздела вода — воздух. Это влечет за собой образование пленки поверхностного натяжения и развитие внутреннего молекулярного давления, достигающего 11 000 атм. Величина поверхностного натяжения выражается обычно в единицах дин/см, что соответствует поверхностной энергии пленки в эрг/см2.
Для различных жидкостей величина поверхностного натяжения колеблется от 16 до 75 эрг/см2. Понижение температуры заметно повышает поверхностное натяжение и наоборот. При колебании температуры в пределах 0—40° С вязкость воды изменяется в 2—3 раза, а поверхностное натяжение — на 10% (табл. 1). Это весьма резко сказывается на водном режиме почв и на пространственной миграции растворов солей и питательных веществ.

Капиллярная вода в почвах

При соприкосновении воды со стенками пор капилляров вследствие смачивания и действия электростатических сил в них образуются мениски тем большей кривизны, чем меньше диаметр капилляров. Поверхностное давление под вогнутыми менисками будет меньше, чем давление под плоской пленкой поверхностного натяжения. Это уменьшение давления называется «отрицательным капиллярным давлением», и оно тем выше, чем больше кривизна менисков (т. е. чем уже пора или капилляр) и чем суше почва.
Развитие отрицательного капиллярного давления и, следовательно, эквивалентной по размерам сосущей силы вызывает подъем влаги в капиллярах и порах на высоту, отвечающую капиллярному давлению (или сосущей силе). Происходит выталкивание воды в капилляр, а мениск как бы поднимает воду в капилляре. Это явление капиллярности иллюстрируется рис. 1.
Высота (дальность) капиллярного передвижения раствора определяется поверхностным натяжением (возрастает при увеличении натяжения) и радиусом капилляров (возрастает с его уменьшением). Считают, что для воды при температуре 20° и полном постоянном смачивании потенциальная высота капиллярного поднятия удовлетворительно выражается формулой Жюрена: h = 0,15/R, где R — радиус пор. Для капилляров с радиусом R = 10-6 см всасывающая сила достигает 150 кг/см2, а потенциальная высота поднятия воды — 1,5 км. В реальных условиях природных грунтов и почв капилляры и поры такого диаметра широко встречаются. Ho их непрерывность в абсолютном большинстве случаев многократно нарушена крупными порами, камерами, четковидным и ветвистым строением, капиллярами большого диаметра, поэтому реальное движение капиллярной воды в почвах несравненно сложнее.
В изолированных ветвистых капиллярах возникает много вогнутых менисков, поднимающих и удерживающих влагу в почве. В сообщающихся капиллярах более тонкий из них транспортирует влагу на большую высоту и отсасывает влагу из более крупных капилляров, используя их как питающие резервуары (рис. 2).
Капиллярная вода в почвах

При постепенном стекании влаги в переувлажненной почве ее четочные, ветвистые, сообщающиеся и изолированные капилляры удерживают обычно больше воды, чем при увлажнении этой же системы снизу. Это так называемое явление капиллярного тистерезиса, которое играет огромную роль в практике орошаемого земледелия и солевом режиме поливных почв.
Капиллярная влага рядом ученых рассматривается как свободная — гравитационная вода. В известном смысле это верно, так как капиллярная вода в какой-то степени зависит от силы тяжести. Однако капиллярная влага возникает и существует в почве под влиянием чисто физических капиллярно-менисковых сил, удерживающих эту воду в сложной тонкопористой системе почв. Поэтому она не является абсолютно свободной.
Прочность связи капиллярной воды с почвой выражается работой, которую необходимо затратить для удаления этой воды из почвы. Букиным назвал эту работу «капиллярным потенциалом». Капиллярный потенциал будет тем выше, чем почва суше, так как с уменьшением влажности почвы увеличивается кривизна менисков воды, сохранившейся в самых тонких порах, и, следовательно, их сосущая (и водоподъемная) сила. Так, сухая почва всасывает влагу с силой до 1010 дин.
Капиллярная вода в почвах

Капиллярный потенциал, т. е. величина натяжения — всасывания, вызываемого менисками при различном содержании в почве капиллярной воды, измеряется специальными приборами (капилляриметр, тензиометр) и выражается в атмосферах, сантиметрах водяного столба или динах и барах. При помощи подобных приборов можно определить в почве фактическую влажность (по шкале, связывающей влажность и капиллярный потенциал), возможную высоту капиллярного поднятия воды в данной почве, дифференциальную порозность (по шкале, связывающей сосущую силу и величину пор). На рис. 3 видно, что наивысшие показатели капиллярного потенциала, определяемые тензиометром, свойственны подсыхающим глинам и суглинкам.
Скофилд предложил выражать всасывающую силу (всасывающее давление) капиллярных менисков не числом сантиметров водяного столба, а десятичным логарифмом этого числа pF. Тогда, например, давление порядка 1 атм, около 1000 см водяного столба, будет соответствовать pF=3, а давление, развиваемое менисками в сухой почве, достигающее 10 000 атм, примерно 10000000 см, выразится индексом pF=7,0. Скофилд показал, что между величиной влажности, ее доступностью и подвижностью, с одной стороны, и всасывающим давлением — с другой, существуют тесная связь и зависимость (табл. 2), хотя и с плавными переходами. С этой точки зрения, решающим фактором подразделения почвенной влаги на категории и виды является энергетический фактор, т. е. прочность связи и величина сил, необходимых для удаления этой влаги (потенциал, давление).
Капиллярная вода в почвах

Несущая сила менисков, т. е. работа, которую они могут произвести, подняв воду на определенную высоту, будет тем больше, чем меньше радиус пор и капилляров, иначе говоря, чем больше кривизна менисков. Поскольку грунты и почвы системы высокодисперсные, менисковые силы проявляются в них тем сильнее, чем тяжелее их механический состав. Именно поэтому почвы способны удерживать в своей толще и передвигать на определенное расстояние капиллярную воду. Капиллярная вода передвигается в сторону меньшей влажности как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Последнее, с учетом фактора времени, может происходить на значительные расстояния.
По физическому состоянию капиллярная вода жидкая. При обычных пределах температуры капиллярная вода свободно испаряется с поверхности менисков. Если испарение снимает с поверхности менисков часть влаги, то при постоянном источнике увлажнения новые порции воды будут поступать в капилляр, стремясь к тому уровню, который отвечает радиусу капилляров. Отрицательные температуры приводят к замерзанию капиллярной воды. Снижение температуры точки замерзания капиллярной воды будет тем большим, чем больше в почве растворимых солей. Как отмечено выше, капиллярная вода до известной степени не подчиняется силе тяжести, поскольку мениски способны в глинах и лёссовых суглинках поднять воду на 3—7 м. Однако «независимость» капиллярной воды от силы тяжести ограничена. При поливах, промывках или естественном сильном увлажнении почв с близкими грунтовыми водами (2—2,5 м) происходит переход части капиллярной воды в гравитационную форму (капиллярный сброс, по А.Ф. Лебедеву).
Капиллярная вода высокоподвижна, способна обеспечить восполнение запасов воды в почве при интенсивном потреблении ее растениями или при испарении. Она свободно растворяет и перемещает при движении растворимые соли, коллоидные органические и минеральные соединения, тонкие суспензии. Передвижение и испарение капиллярной воды играет громадную роль в образовании засоленных почв, скоплений полуторных окислов, вторичного кремнезема. Орошение в основном направлено на создание в почвах запаса капиллярной воды, представляющей собой значительную часть почвенного раствора. Различают несколько разновидностей капиллярной воды в зависимости от литологии почв и ее взаимоотношений с грунтовой водой.
Капиллярно-подпертая вода образуется в грунте и почве в форме так называемой капиллярной каймы, представленной слоем влаги, поднятой от зеркала грунтовых вод силами капиллярных менисков.
Капиллярная вода в почвах

Высота потенциального поднятия капиллярной каймы над уровнем грунтовых вод непосредственно зависит от механического состава и структуры почв, она снижается в песках и супесях до 40—60 см и возрастает в суглинках и глинах до 2—7 м. В случае расхода капиллярно-подпертой воды на транспирацию растениями или на испарение запас влаги восполняется новыми поступлениями из грунтовой воды. Подъем уровня грунтовой воды сопровождается повышением уровня капиллярной каймы. Опускание грунтовых вод вызывает опускание уровня капиллярной каймы. Наращивание высоты капиллярной каймы (путем фильтрации атмосферной или поливной воды) сверх несущей силы менисков вызывает сброс части воды из капилляров в грунтовую воду и уменьшение высоты капиллярной каймы.
Как следует из рис. 4 и табл. 3, в распределении капиллярно-подпертой воды по профилю констатируется постепенное уменьшение влажности снизу вверх до величины пленочной и гигроскопической влажности. Эта смена влажности имеет более резкий характер в песках и постепенное снижение в суглинках и глинах.
Капиллярная вода в почвах

Капиллярно-подвешенная вода образуется в почве в тех случаях, когда отсутствует связь капиллярной воды, находящейся в почвенных горизонтах, с грунтовой водой. Появление капиллярно-подвешенной воды в почве, ее передвижение и удерживание в почве связаны с возникновением менисковых сил в капиллярах и порах при нисходящем движении гравитационной воды осадков или поливов.
В распределении капиллярно-подвешенной воды по профилю почв в естественных условиях наблюдается постепенное уменьшение влажности с глубиной (табл. 4). При этом в песчаных почвах величина влажности всегда меньше, и убывание количества капиллярно-подвешенной воды с глубиной выражено сильнее, чем в глинистых.
Капиллярная вода в почвах

Капиллярно-подвешенная вода способна перемещать растворимые соли. Если легкорастворимые соли содержатся в подпочвенных горизонтах в большом количестве, восходящий ток капиллярно-подвешенной воды при испарении может перемещать их в корнеобитаемые и пахотные горизонты, вызывая засоление почв с поверхности. Такие явления нередко наблюдаются при поливах почв, имеющих остаточное подпочвенное засоление. То же происходит при поливах почв минерализованной водой, когда частичный возврат капиллярно-подвешенной воды сопровождается накоплением солей в испаряющихся растворах. Для предотвращения засоления в таких случаях приходится поддерживать господство нисходящих токов влаги путем более частых поливов или промывок.
Скорость передвижения капиллярно-подвешенной воды и скорость ее испарения будут тем меньшими, чем более структурны почвы и чем более они затенены. Поэтому рыхление почв и травосеяние являются средствами уменьшения восходящих токов влаги и солей в почве. Скорость восходящего движения капиллярно-подвешенной воды вообще во много раз меньше, чем скорость восходящего движения капиллярно-подпертой воды, непосредственно питаемой грунтовыми водами.
Капиллярно-посаженная вода. Различают третью разновидность капиллярной воды — капиллярно-посаженную. Капиллярно-посаженная вода образуется в почвенных порах и капиллярах в случае заметной слоистости грунтов, когда тонкопористый глинистый или менее структурный горизонт подстилается горизонтом песчаным, более рыхлым или более структурным. В этих случаях благодаря разрыву сплошности капиллярной воды на поверхности раздела тонкодисперсного и грубодисперсного горизонтов возникают дополнительные нижние мениски и развиваются добавочные несущие силы. Благодаря влиянию дополнительных менисковых сил при переслаивании мелкозернистых и грубозернистых горизонтов почва в целом может удержать дополнительное количество капиллярной воды, которая как бы «посажена» на дополнительные капиллярные мениски нижней поверхности горизонта.
Распределение капиллярной воды в слоистом почвогрунте поэтому отличается от распределения капиллярной воды в однородном грунте. Вместо равномерного убывания влаги вниз по профилю в слоистом грунте дополнительные мениски на контакте слоев различного механического состава дадут ступенчатые повышения влажности. Поэтому при прочих равных условиях влажность слоистого грунта всегда выше, чем влажность однородного грунта.
Дискретная капиллярная вода. Выяснилось, что, кроме сплошных форм капиллярной воды, в почвах существует дискретная капиллярная вода — неподвижная, но физиологически полностью доступная растениям. Эта вода представлена сложной сеткой микрокапель и менисков в углах пор, в точках стыка частиц, в изолированных макрокапиллярах. Эта влага удерживается силами менисков, втягивающих при высыхании почвы воду в виде клина глубже в пору или в угол стыка частиц. Благодаря разобщенности менисков, находящихся в отдельных микролорах, и наличию крупных воздушных пузырьков угловая вода неподвижна, но она доступна растениям и обладает растворяющим эффектом. Однако в связи с неподвижностью и ничтожностью запаса доступной влаги, соответствующей этой форме воды, растения могут быстро ее расходовать, после чего наступает их завядание. Когда капиллярно-влажная почва подвергается просыханию, то после известного снижения запаса влаги сплошность капиллярной системы исчезает. Наступает разрыв капиллярной связи. Передвижение влаги, солевых растворов и питательных веществ прекращается. Влажность разрыва сплошности капилляров (BPK) является особой константой водно-физических свойств почвы.
Из рассмотренного очевидно, что подвижность и быстрота передвижения капиллярной воды в почвах зависят от уровня влажности и физической природы почв и почвообразующих пород. При большой влажности, когда в механизм включены как мелкие, так и крупные капилляры, что имеет место чаще в почвах с близкими грунтовыми водами, движение капиллярной воды происходит наиболее быстро. При пониженной влажности скорость капиллярного передвижения растворов уменьшается, а с момента разрыва сплошности капилляров движение прекращается полностью.
Чем более глиниста почва, тем потенциально она более способна передвигать капиллярную влагу на большие расстояния. Ho в тяжелоглинистых почвах прочносвязанная вода может практически «запечатать» своим объемом капиллярную систему и блокировать воду, прекратив движение капиллярной влаги. Кроме того, разрыв сплошности капилляров в глинистых почвах наступает при относительно высоких показателях влажности. Поэтому реальное капиллярное поднятие и передвижение влаги в тяжелоглинистых малоструктурных почвах в природе редко превышают величину 180—200 см. Вопреки теоретическим рассуждениям, основанным на опытах и пересчетах применительно к однородным искусственным капиллярным системам, в практике почвоведения и мелиорации установлено, что наибольшую скорость и высоту капиллярного передвижения влаги от зеркала грунтовых вод имеют лёссовидные суглинки с большим содержанием пылеватых частиц и тонкой микроструктурой. Известно, что лёссы и лёссовидные суглинки Узбекистана, Таджикистана, Прикаспийской низменности интенсивно поднимают капиллярные растворы от зеркала грунтовых вод на высоту 3—4 м, а в ослабленной замедленной форме и на 5—7 м.
Чем большая часть капиллярной воды в почвах представлена дискретными формами и чем меньше остаток, приходящийся на долю собственно высокоподвижной капиллярной воды, тем запас воды в почвах меньше подвержен потерям за счет рассасывания и передвижения к очагам испарения.
Агрономически структурные почвы, отличаясь высокой способностью накапливать и задерживать капиллярную воду, вместе с тем благодаря наличию крупных пор и разобщенности большей части капиллярной воды удерживают ее в доступной растениям, но малоподвижной (и поэтому медленно испаряющейся) форме.
В распыленных почвах при тех же величинах влажности, но вследствие преобладания высокоподвижных форм капиллярной воды запас влаги может быстрее израсходоваться на испарение и капиллярное рассасывание.