Категории, формы и виды почвенной влаги
Влага в почве может находиться в твердом, газообразном и жидком состоянии.
Согласно классификации А.А. Роде, в почве можно выделить следующие категории почвенной влаги.
Кристаллизационная влага прочно связана в кристаллических решетках минералов (алюмосиликатов, гидроксидов, простых солей) и входит в твердую фазу почвы. Так, при кристаллизации сернокислого кальция и образовании гипса на каждую молекулу CaS04 связывается две молекулы воды (CaS04 • 2Н20), при кристаллизации сернокислого натрия и образовании мирабилита — 10 молекул (Na2S04 • ЮН20).
Твердая влага — лед — периодически появляется в верхних горизонтах сезоннопромерзающих почв и постоянно присутствует в нижних горизонтах почв с вечной мерзлотой.
Парообразная влага присутствует в почвенном воздухе в форме водяного пара. Попадая в почву из атмосферы или за счет испарения воды внутри почвы, она движется в порах и пустотах от мест с большей упругостью пара к местам с меньшей его упругостью. В почвах с сезонной и вечной мерзлотой парообразная влага перемещается к холодному фронту, где конденсируется, что сохраняет низкую упругость водяного пара на границе мерзлого и талого слоев. Некоторое значение для пассивного передвижения водяного пара имеет тепловое расширение почвенного воздуха, обычно наблюдаемое в верхних горизонтах при нагревании их в течение дня. Давление атмосферного воздуха и аэродинамические силы, возникающие при действии на поверхность почв ветра, усиливают обмен парообразной влаги между почвой и атмосферой.
Жидкая влага присутствует в почве в виде связанной и свободной влаги. Каждая из них представлена несколькими формами влаги.
1. Связанная влага удерживается на поверхности твердых частиц силами молекулярного притяжения. Она делится на прочносвязанную и рыхлосвязанную влагу.
Прочносвязанная (гигроскопическая) влага. Движение частиц водяного пара и их количество в почве регулируется сорбционными силами — притяжением молекул парообразной воды к твердым почвенным частицам и превращением ее в прочносвязанную гигроскопическую влагу.
Силы притяжения твердыми частицами парообразной влаги действуют на малое расстояние, равное нескольким диаметрам молекулы воды. Адсорбция первых слоев воды почвенными частицами совершается:
а) за счет водородных связей с атомами кислорода, входящими в состав поверхностного слоя частиц;
б) за счет гидратации катионов, которые расположены на поверхности частиц в точках изоморфного замещения атомов кремния и алюминия на атомы магния.
По существующим представлениям, начальная стадия процесса сорбции парообразной влаги в почве заключается в притяжении молекул водяного пара поверхностными молекулами и ионами самого вещества: возникает первый слой сорбированных молекул. Толщина этого слоя измеряется двумя-тремя диаметрами молекул. Следующие слои молекул воды притягиваются уже молекулами самой адсорбированной воды, что облегчается их дипольным характером. Все молекулы сорбированной воды находятся, таким образом, в строго ориентированном положении (рис. 10.1). Наблюдения, произведенные над адсорбцией водяного пара кварцевым песком, показали, что образование мономолекулярного слоя проис-
Число
молекулярных
слоев,
см2Д г/100 г
Размер частиц, мм
Рис. 10.1. Зависимость толщины оболочки воды (число молекулярных слоев), сорбированной из водяного пара (по А.А. Роде): 1 — от размера частицы; 2 — количества сорбированной воды; 3 — удельной поверхности от размера частицы
ходит при очень небольшом давлении водяного пара — около 1 % относительной влажности. При дальнейшем увеличении давления пара начинается процесс многослойной сорбции. При 80—85 % относительной влажности толщина пленки гигроскопической воды равна 30—50 диаметрам ее молекул.
Прочносвязанная влага обладает свойствами, отличающими ее от свободной воды: она имеет повышенную плотность (1,1 — 1,7), меньшую теплоемкость (около 0,5), не способна растворять электролиты и проводить электрический ток, не замерзает вплоть до —78 °С и обладает механическими свойствами, сближающими ее с твердыми телами (модулем сдвига и пределом текучести). При адсорбции первых слоев воды выделяется теплота смачивания.
Гигроскопическая влага удерживается на поверхности почвенных частиц силами молекулярного притяжения настолько прочно, что удалить ее можно только путем перевода в парообразное состояние при нагревании почвы свыше 100 °С в течение 4—5 ч. Максимальное количество прочносвязанной (гигроскопической) влаги в данной почве является водно-физической константой и называется максимальной гигроскопичностью (МГ).
Рыхлосвязанная (или пленочная) влага — это вода, удерживаемая силами молекулярного притяжения сверх величины максимальной гигроскопичности. Ее основной признак — ориентированное расположение молекул воды. Наибольшее количество рыхлосвязанной (пленочной) воды может в 2—4 раза превышать величину максимальной гигроскопичности. Это дополнительное количество влаги, удерживаемой силами молекулярного притяжения, почва не может поглотить даже из насыщенной водяными парами атмосферы; рыхлосвязанная влага сорбируется только при соприкосновении почвенных частиц с жидкой влагой.
В отличие от прочносвязанной рыхлосвязанная влага способна к передвижению от одной почвенной частицы к другой: от частиц с более толстыми пленками к частицам с менее толстыми. Однако это движение возможно лишь пока существует некоторый градиент влажности и совершается оно с очень малой скоростью.
Рыхлосвязанная влага может быть удалена из почвы центрифугированием (при высоком ускорении, развиваемом центрифугой) или отпрессованием (при давлении до 6850—2000 кг/см2).
Рыхлосвязанная (или пленочная) влага отличается от обычной жидкой влаги, находящейся в почве, лишь несколько пониженной концентрацией растворенных веществ и температурой замерзания (при понижении температуры до —15 °С количество незамерзшей воды близко к величине максимальной гигроскопичности).
Наибольшее количество воды, которое может быть удержано в почве силами молекулярного притяжения, называется максимальной молекулярной влагоемкостью (ММВ ) и выражается в процентах от массы или объема почвы.
2. Свободная влага встречается в почвах в формах: подвешенной,
подпертой гравитационной и свободной гравитационной.
Капиллярно-подвешенная влага. Характерным свойством ее являяется отсутствие гидростатической связи с постоянными или временными водоносными горизонтами. Она образуется при увлажнении почвы сверху (после дождя или полива). Наибольшее количество подвешенной влаги, остающееся в верхних горизонтах почв
после их смачивания сверху, называется наименьшей влагоемкостью или полевой влагоемкостью почвы (НВ ).
Различают следующие виды подвешенной влаги:
а) стыковая капиллярно-подвешенная. Встречается в почвах различного гранулометрического состава в виде разобщенных скоплений вокруг точек соприкосновения твердых частиц при влажности
< НВ. Гидростатическая сплошность отсутствует, влага удерживается капиллярными силами (рис. 10.2);
б) внутриагрегатная капиллярно-подвешенная. Распространена в
почвах, обладающих макроструктурой, заполняет поры капиллярного размера, пронизывающие агрегаты при влажности > НВ;
в) насыщающая капиллярно-подвешенная. Встречается в среднезернистых почвах, в поверхностном слое, целиком заполняя поровое пространство почвенной массы. Этот вид влаги возникает при исходной сухости почвы или грунта. Удерживается капиллярными силами. Большую роль в удержании влаги играет плохая смачиваемость первоначально сухой почвы. Характерна предельная мощность насыщенного слоя, при превышении которой равновесие нарушается и вся влага, за исключением стоковой, стекает вниз;
г) сорбционно-замкнутая. Встречается в почвах среднего и тяжелого гранулометрического состава в виде микроскоплений в крупных порах, изолированных друг от друга перемычками из связанной влаги. Удерживается сорбционными
силами.
Капиллярно-подпертая влага
встречается в двух формах:
а) подперто-подвешенная капиллярная влага. Образуется при
Рис. 10.2. Водяная манжета (стыковая вода) между двумя шарообразными частицами (по А.А. Роде)
влажности, равной НВ и выше, в слоистых толщах в более тяжелых (более мелкопористых) слоях при подстилании их более легкими (более крупнопористыми);
б) подпертая капиллярная. Встречается в почвах различного гранулометрического состава в виде влаги капиллярной каймы над временным или постоянным зеркалом почвенно-фунтовых вод; образуется при влажности > НВ.
Максимально возможное в данной почве количество капиллярно-подпертой влаги называется капиллярной влагоемкостью (KB).
Свободная гравитационная влага — для нее характерно передвижение под влиянием силы тяжести. Подразделяется на два вида:
а) просачивающаяся влага. Находится в состоянии нисходящего движения по крупным порам и полостям некапиллярного размера под влиянием силы тяжести, что наблюдается при влажности почвы > НВ;
б) влага водоносных горизонтов — фунтовые, почвенно-фунтовые и почвенные воды, удерживаемые вследствие наличия водонепроницаемого подстилающего слоя. Эти воды могут быть застойными или при наличии разности гидравлических напоров стекающими в направлении уклона водоупорного слоя.
Водно-физические свойства почвы
В ряду главных водно-физических свойств следует назвать водоудерживающую и водопропускную способность почвы.
Водоудерживающая способность почвы. Способность твердой фазы почвы при участии сорбционных и капиллярных сил удерживать почвенную влагу от стекания (под влиянием силы тяжести) называется водоудерживающей способностью. Наибольшее количество воды, удерживаемое почвой теми или иными силами, называется влагоемкостью. Различают несколько видов влагоемкости.
Способность твердых частиц поглощать из воздуха парообразную влагу называется гигроскопичностью почвы. Даже совершенно сухая на вид почва («воздушно-сухая почва»), долгое время хранящаяся в помещении, обычно содержит некоторое количество гигроскопической влаги. Последнюю выражают в процентах к весу абсолютно сухой почвы (высушенной при t— 105 °С). Количество гигроскопической воды, которое может быть поглощено данной почвой, зависит от относительной упругости водяного пара в воздухе, соприкасающегося с почвой, и от ее механического состава.
Максимальная гифоскопичность (МГ), т. е. количество влаги, которое она может поглотить из воздуха, выражается в процентах от веса почвы. Величина максимальной гифоскопичности колеблется от 2—3 % в почвах легкого гранулометрического состава до 12—15 % в тяжелых почвах с большим содержанием гумуса.
Максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ) в глинистых почвах достигает 43—44 %, в большинстве суглинистых почв она составляет 7—15 %.
Наименьшая влагоемкость (НВ) зависит от гранулометрического состава почв, их агрегатности и пористости. В большинстве почв НВ составляет 20—30% почвенной массы. Установлена эмпирическая зависимость между объемной массой почвы (ОВ) и наименьшей влагоемкостью (НВ). При условии однородности гранулометрического состава произведение объемной массы на величину НВ, вычисленное для различных горизонтов почвы, является величиной постоянной для всего почвенного профиля [ОВ] — [НВ] = A(const). НВ обратно пропорционально величине объемной массы и, следовательно, прямо пропорционально величине пористости.
В суглинистых и глинистых почвах количество подвешенной влаги и особенно мощность смоченного слоя могут достигать значительных величин. Так, по наблюдениям в лёссовых грунтах со сквозным промачиванием величина наименьшей влагоемкости (23—25 %) сохраняется на глубине до 15 м (данные А.А. Измаильского).
При увлажнении почвы сверху (при поливе или после дождя) распределение капиллярно-подвешенной влаги в суглинистых фунтах имеет вид, изображенный на рис. 10.3. Распределение подвешенной влаги в почве через различные сроки после полива указывает на возможность лишь очень медленного ее стекания вниз, но общий характер кривых говорит о том, что поступившая в почву влага удерживается в ней достаточно прочно.
Почвенно-грунтовая толща, расположенная непосредственно над зеркалом грунтовых вод, содержит капиллярно-подпертую влагу. При испарении этой влаги у верхнего края капиллярной каймы от зеркала грунтовых вод идет поступление новых порций воды. Величина капиллярной влагоемкости (KB) на разном расстоянии от уровня грунтовых вод непостоянна. Она изменяется от 17—20 до 50—60% от массы почвы.
В природе влажность почв изменяется весьма значительно в пределах капиллярно-смоченного слоя, поэтому то, что называют капиллярной влагоемкостью, определяется в лаборатории при насыщении почвы в небольших цилиндрах (высотой 15—20 см) и представляет максимальное количество капиллярной влаги, удерживаемое почвой непосредственно над уровнем слоя гравитационной воды.
Рис. 10.3. Распределение влаги в почве при увлажнении
сверху через (по И.Б. Ревуту):
1 — 3 сут; 2—12 сут;
3 — 21 сут после увлажнения
Рис. 10.4. Равновесное распределение влажности в почвенно-грунтовой
толще, промоченной насквозь (по А.А. Роде)
Когда все поры в почве (капиллярные и некапиллярные) полностью заполнены влагой, наступает наибольшая степень влагонасыщенности почв. Количество влаги, находящееся в почве в данных условиях, называется полной влагоемкостъю (ПВ) или водовместимостью. В состоянии увлажнения, равном полной влагоемкости, почвы находятся при отсутствии или затруднении стока гравитационной влаги.
Водоподъемная способность почвы. Свойство почвы вызывать
подъем влаги по капиллярам называется водоподъемной способностью. В природе над зеркалом грунтовых вод создается кайма капиллярно-подпертой влаги. Содержание влаги в кайме уменьшается снизу вверх от почти полной влагоемкости до наименьшей (рис. 10.4).
Мощность капиллярной каймы или водоподъемная способность почв зависит от их гранулометрического состава (табл. 10.1, рис. 10.5).
Высота капиллярного подъема возрастает от песков через супеси
к лёссовидным суглинкам, а при переходе к грунтам более тяжелого
Таблица 10.1
Дата добавления: 2020-07-18; просмотров: 550;