Материал: Pochvovedenie_Kovda_chast1

Полный, или термодинамический, потенциал почвенной воды равен сумме частных потенциалов, связанных с разными сило­ выми полями:

ψt =φа +φk +φo +φg =φp +φo +φg =g 0 Sz dz+ VH 2 O [ 0 Sp dP+ 0 Sπ dP] ,

где φа — адсорбционный потенциал; φk —капиллярный потен­ циал; φo — осмотический потенциал; φg — гравитационный по­ тенциал; φp—потенциал тензометрического давления; z—вер­ тикальное расстояние; g — сила гравитации на единицу массы воды; VH2O— парциальный удельный объем воды в почвенном растворе; Р — давление воды; π — осмотическое давление.

Адсорбционный потенциал почвенной воды (φа ), или адсорб­ ционное давление (расклинивающее давление, по Б. В. Дерягину), возникает в процессе взаимодействия молекул воды с поверхностью твердой фазы почвы, в результате которого вода сорбируется твердыми почвенными частицами в виде тонкой пленки. Возникающий при этом потенциал прямо пропорциона­ лен работе десорбции воды (dAa) и обратно пропорционален поверхности твердой фазы (S) и толщине адсорбированного слоя

(dh):

Капиллярный потенциал почвенной воды (φk ). или ее ка­ пиллярное давление, возникает на поверхности раздела между твердой, жидкой и газовой фазами почвы в тонких капиллярах; он пропорционален работе по «отсасыванию» капиллярной воды (dAk) и обратно пропорционален изменению ее объема (dV):

-φk=dAk/dV. (19)

Осмотический потенциал почвенной воды (φ0 ), или ее осмоти­ ческое давление, возникающий вследствие наличия в воде раст­ воренных веществ, пропорционален работе (dA0) по удалению воды из раствора (например, через полупроницаемую мембрану, при помощи электродиализа) и обратно пропорционален изме­ нению ее объема (dV):

-φ0=dA0/dV. (20)

Гравитационный потенциал почвенной воды (φg ), или грави­ тационное давление, возникающий в почве под влиянием сил земного тяготения, пропорционален работе вертикального пере­ мещения воды (dAg) и опять-таки обратно пропорционален изменению объема воды (dV):

—φg=dAg/dV. (21)

Все перечисленные потенциалы могут быть оценены теми или иными методами, разработанными в физике почв, однако их не­ посредственное измерение встречает существенные трудности. С целью преодоления экспериментальных трудностей введено понятие о потенциале тензиометрического давления (φр ), который

145

можно непосредственно измерять с помощью тензиометров или иным методом (криоскопическим, психрометрическим, гигроско­ пическим) .

Потенциал тензиометрического давления (φр ), или потенциал давления почвенной воды, возникающий в результате совмест­ ного действия силовых полей в почве на заключенную в ней во­ ду, не считая гравитационное и осмотическое поля, зависит от геометрии жидкой фазы (кривизны менисковых поверхностей), давления в газовой фазе, геометрии твердой фазы (ее удельной поверхности) или матрицы, содержания воды в почве. Этот потенциал можно выразить в единицах экспериментально изме­ ренного тензиометрического давления жидкой фазы почвы (Р) согласно уравнению

матрицы),—потенциал давления (φр) в почвенном образце при данной влажности W и данном механическом давлении ограничи­ вающей его поверхности (Ре) при стандартном газовом давлении Р0, т. е. при Ра = 0. Для набухающих почв капиллярно-сорб­ ционный потенциал включает в себя потенциал давления огра­ ничивающей поверхности (φeр) — приращение потенциала давле­ ния (φр) в результате механического давления поверхности на почвенный образец — и потенциал влажности (φр) — потенциал давления (φр) в почвенном образце с данной влажностью W при

Ре = 0 и Р0 = 0.

Потенциал или давление почвенной воды в сильной степени зависит от водосодержания почвы, причем каждая почва в за­ висимости от своего гранулометрического, минералогического и химического состава и сложения имеет свою собственную ха­ рактеристическую кривую зависимости давления почвенной воды от влажности почвы, которая получила название кривой водоудерживания. Кривая водоудерживания φ = f(W) считается ос­ новной гидрофизической характеристикой почвы (рис. 25). Часто эту кривую берут в форме h = f(Θ) или pF = f(Θ), где h — со­ сущая сила почвы (см. ниже); рF — десятичный логарифм h; Θ — объемная влажность почвы.

Чем меньше воды в почве, тем сильнее она удерживается твердой фазой, тем ниже ее потенциал (больше абсолютное

146

молекулярной толщины, описываемым теорией Гельмгольца, а количество адсорбированной воды определяется удельной по­ верхностью почвенных частиц при весьма слабой роли обменных катионов.

В диапазоне полного давления почвенной влаги от — 4•106÷ ÷(—105) до —20•107 Па весьма резко проявляется влияние обменных катионов на его зависимость от влажности почвы. При этом поведение системы описывается уравнением Больцмана для концентрации катионов в растворе на различных рас­ стояниях от отрицательно заряженной поверхности твердой фа­ зы в зависимости от влажности. В этих условиях почвенная вода является вместилищем диффузного слоя обменных ка­ тионов.

При давлениях выше — 2•106(—106) Па кривые водоудержи­ вания начинают выполаживаться, отклоняются в сторону боль­ шей влажности. По мнению И. И. Судницына, это вызвано тем, что при этих значениях полного давления вода уже находится за пределами диффузного слоя обменных катионов в электро­ нейтральном «свободном» объеме почвенного раствора, давление которого в основном определяется суммой осмотического и ка­ пиллярного потенциалов.

При дальнейшем росте влажности почвы все большую роль играет капиллярный потенциал (φк ). И. И. Судницын рас-

147

считал по формуле Жюрена следующую зависимость капилляр­ ного давления воды от диаметра капилляров:

Приведенные расчеты показывают, что с увеличением диа­ метра почвенных пор находящаяся в них вода теряет капилляр­ ное давление и все больше испытывает воздействие гравита­ ционных сил.

Таким образом, относительный вклад частных термодинами­ ческих потенциалов почвенной воды в ее полный потенциал су­ щественно меняется с изменением влажности почвы: чем суше почва, тем больше роль адсорбционных и осмотических сил; чем она влажнее, тем больше относительная роль капиллярных и затем гравитационных явлений и тем меньше значение давле­ ния, показанного тензиометром.

Кривые водоудерживания почв обычно имеют четко выражен­ ную гистерезисную петлю, т. е. имеют несколько различную форму при иссушении и увлажнении одной и той же почвы, что может быть, в частности, связано с различием в последователь­ ности заполнения пор разного размера водой при увлажнении почвы и их освобождения от воды при иссушении: заполняются вначале мелкие поры, а освобождаются от воды первыми круп­ ные.

Невыровненность потенциалов почвенной воды в разных точ­ ках является непосредственной причиной движения воды в поч­ вах: вода перемещается в сторону наиболее низкого потенциала, в общем случае из более влажных участков в более сухие. Однако вследствие наличия сопротивления среды движению воды движущей силой перемещения почвенной воды служит не раз­

новлено еще в середине прошлого века в известном законе Дарси для плотности установившегося водного потока в пористой среде.

Существует определенная связь почвенно-гидрологических констант с давлением почвенной воды. Например, наименьшей влагоемкости почвы соответствует давление от —104 до —3× ×104 Па, а влажности завядания от —6•105 до —2,5•106 Па. С изменениями давления почвенной воды в зависимости от влаж­ ности меняется и коэффициент влагопроводности почв К в урав­ нении потока воды в почве (i= — К Р/Аl); при изменении влажности почвы от наименьшей влагоемкости до влажности завядания К уменьшается на два порядка (сухая почва обладает худшей влагопроводностью, чем влажная).

Установлены эмпирические зависимости водопотребления рас­ тений от давления воды в почве, но они весьма сложные и под­ вержены воздействию множества самых разнообразных факто­ ров, действующих в системе почва — растение — атмосфера. Од-

148