Материал: GOSY-1_vmeste

ПОНЯТИЕ О ТД ПОТЕНЦИАЛЕ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ.

Поскольку вода в почве находится под одновременным сложным воздействием нескольких силовых полей — адсорбционных, капиллярных, осмотических, гравитационных, — для характеристики их суммарного действия и оценки энергетического состояния воды в почве введено понятие-

термодинамического, или полного, потенциала почвенной воды.

Полный потенциал почвенной воды (ψ_t) — это количество работы, Дж•кг^-1, которую необходимо затратить, чтобы перенести единицу свободной чистой воды обратимо и изотермически из стандартного состояния S₀ в то состояние S_n, в котором она находится в рассматриваемой точке почвы.

Т.Е. эта величина выражает способность воды в почве производить большую или меньшую работу по сравнению с чистой свободной водой. За стандартное состояние S₀ при этом принимается резервуар с чистой (без солей, т. е. с осмотическим давлением П = 0) свободной (т. е. не подверженной влиянию адсорбционных и капиллярных сил) водой при температуре Т₀, высоте h₀ и давлении P₀. Потенциал почвенной воды — величина отрицательная, поскольку необходима работа (положительного знака) по его преодолению. Вместо понятия «потенциал» в почвоведении принято использовать понятие «давление почвенной воды», которое измеряется в паскалях [Па=кг/с²•м].

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

ψ_t =φ_а +φ_k+φ_o+φ_g=φ_p+φ_o+φ_g=g 0S^z dz+ V_H2O [ 0S^pdP+ 0S^πdP] , где φ_а — адсорбционный потенциал; φ_k —капиллярный потенциал; φ_o — осмотический потенциал; φ_g — гравитационный потенциал; φ_p—потенциал тензометрического давления; z—вертикальное расстояние; g — сила гравитации на единицу массы воды; V_H2O— парциальный удельный объем воды в почвенном растворе; Р — давление воды; π — осмотическое давление.

Адсорбционный потенциал почвенной воды (φ_а), или адсорбционное давление (расклинивающее давление,)возникает при взаимодействия молекул воды с поверхностью твердой фазы почвы, в результате которого вода сорбируется твердыми почвенными частицами в виде тонкой пленки.

Капиллярный потенциал почвенной воды (φ_k). или ее капиллярное давление, возникает на поверхности раздела между твердой, жидкой и газовой фазами почвы в тонких капиллярах;

Осмотический потенциал почвенной воды (φ₀), или ее осмотическое давление, возникающий вследствие наличия в воде растворенных веществ,

Гравитационный потенциал почвенной воды (φ_g), или гравитационное давление, возникающий в почве под влиянием сил земного тяготения,

С целью преодоления экспериментальных трудностей введено понятие о потенциале тензиометрического давления (φ_р), который можно непосредственно измерять с помощью тензиометров или иным методом (криоскопическим, психрометрическим, гигроскопическим) .

Потенциал тензиометрического давления (φ_р), или потенциал давления почвенной воды, возникающий в результате совместного действия силовых полей в почве на заключенную в ней воду, не считая гравитационное и осмотическое поля

ТП включает в себя два потенциала: пневматический и капиллярно-сорбционный

(φ_р = φ^a_р + φ^m_р).

Пневматический потенциал почвенной воды (φ^a_р) — это приращение потенциала давления (φ_р) в результате избытка давления (ΔР_а) в газовой фазе относительно стандартного газового давления Р₀

Капиллярно-сорбционный потенциал почвенной воды (φ^m_р), или матричный потенциал (связанный с геометрией почвенной матрицы),—потенциал давления (φ_р) в почвенном образце при данной влажности W и данном механическом давлении ограничивающей его поверхности (Р_е) при стандартном газовом давлении Р₀, т. е. при ΔР_а = 0. Для набухающих почв капиллярно-сорбционный потенциал включает в себя потенциал давления ограничивающей поверхности (φ^e_р) — приращение потенциала давления (φ_р) в результате механического давления поверхности на почвенный образец — и потенциал влажности (φ_р) — потенциал давления (φ_р) в почвенном образце с данной влажностью W при Р_е = 0 и Р₀ = 0.

Потенциал или давление почвенной воды в сильной степени зависит от водосодержания почвы, причем каждая почва в зависимости от своего гранулометрического, минералогического и химического состава и сложения имеет свою собственную характеристическую кривую зависимости давления почвенной воды от влажности почвы, которая получила название кривой водо-удерживания. Кривая водоудерживания φ = f(W) считается основной гидрофизической характеристикой почвы (рис. 25). Часто эту кривую берут в форме h = f(Θ) или pF = f(Θ), где h — сосущая сила почвы .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 значение отрицательного давления воды).

Относительный вклад частных термодинамических потенциалов почвенной воды в ее полный потенциал существенно 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 давления, показанного тензиометром.

вода перемещается в сторону наиболее низкого потенциала, в общем случае из более влажных участков в более сухие.

ОГХ

Основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) - изотермическая равновесная зависимость капиллярно-сорбционного (матричного) давления почвенной влаги от влажности почвы.

На кривой ОГХ выделяют соответствующие качественные области: насыщения (примерно соответствует рр 0 - 1.7), капиллярную (рF 1.7 - 3), пленочную (рF 3 - 4.5) и сорбционную (рF >4.5) с недоступной для растений влагой (рр>4.18).

ОГХ зав-т от фундамен. св-в почв:

• гранулометрического состава;

• плотности почвы;

• минералогического состава;

• при осолонцевании;

• содержания легкорастворимых солей;

• содержания и состава органического вещества;

• изменения температуры

Использование ОГХ

1) сравнительной оценки изменения физического состояния почв.(от гран сост, минер. сост, р, агрег. состава и тп).

2) оценки распределения объемов пор по их диаметрам.(

(которая основана на капиллярной модели почвенных пор и на уравнении Жюрена)

3) оценки почвенно-гидрологических констант.( которые связаны опреде­ленными уравнениями с соответствующими давлениями влаги.)

4) математического моделирования передвижения влаги в почве.

5) оценки физико-механических констант в почве (метод «секущих А.Д.Воронина).

pF: максимальная гигроскопическая вода —4,5; влажность завядания — 4,2; наименьшая влагоемкость для почв: тяжелого механического состава — 2,7—3,0; среднесуглини-стых — 2,5; песчаных — 2,0; вода прочносвязанная — 5,0—7,0;

вода капиллярная связанная — 3,5—5,0; свободная— 1,75— 3,50; вода гравитационная— 1,75.

Величины давления влаги, откладываемые по оси ординат, представляют обычно в виде единиц pF – десятичного логарифма абсолютной величины капиллярно-сорбционного давления влаги, выраженного в см водного столба.

Вид и форма ОГХ специфичны для каждого почвенного образца и характеризуют структуру порового пространства (плотность и дифференциальную порозность почв), гранулометрический и минералогический составы.

Определение Рк-с- танзиометором. зарегистрируем на стрелке вакуумметра – тензиометрическое давление влаги в почве. Капиллярно-сорбционное давление влаги в почве – из показания вакуумметра вычитаем высоту тензиометр. . Соответственно, .

ПОЧВЕННЫЙ РАСТВОР и факторы определяющие его состав.

Почвенный раствор - жидкая фаза почв, включающую почвенную воду, содержащую растворенные соли органоминеральные и органические соединения, газы и тончайшие коллоидные золи.

Наиболее существенным источником почвенных растворов являются атмосферные осадки. Грунтовые воды также могут участвовать в их формировании. При орошении дополнительным резервом влаги для почвенных растворов становятся поливные воды.

Атмосферные осадки, поверхностные воды, росы, грунтовые воды, попадая в почву и переходя в категорию жидкой ее фазы, изменяют свой состав при взаимодействии с твердой и газообразной фазами почвы, с корневыми системами растений и живыми организмами, населяющими почву.

Химический состав почвенных растворов-регулируется как абиотическими, так и биотическими факторами и компонентами почвы и экосистемы в целом. Состав почвенных растворов зависит от количества и качества атмосферных осадков, от состава твердой фазы почвы, от количества и качественного состава живого и мертвого растительного материала в надземных и подземных ярусах биогеоценоза, от жизнедеятельности мезофауны и микроорганизмов. Состав почвенных растворов постоянно находится под влиянием жизнедеятельности высших растений — изъятие из него корнями определенных ионов и соединений и, наоборот, поступление веществ с корневыми выделениями.

Минеральные, органические и органоминеральные вещества, входящие в состав жидкой фазы почв, могут иметь форму истинно растворенных или коллоидно-растворимых соединений. Коллоидно-растворимые вещества представлены золями кремнекислоты и полутораоксидов железа и алюминия, органическими и органо-минеральными соединениями.

Катионы почв. р-ра:

Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, NH⁺₄, Н⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Fe²⁺. Среди анионов преобладают HCO^–₃, CO^2–₃, NO^–₃, NO^–₂, Cl^–, SO^2–₄, Н₂РО^–₄, HPO^2–_4.

Железо, алюминий и многие микроэлементы (Сu, Ni, V, Сr и др.) в почвенных растворах содержатся главным образом в виде комплексных органоминеральных соединений, где органическая часть комплексов представлена гумусовыми и низкомолекулярными органическими кислотами, полифенолами и другими органическими веществами.

Реакция почвенного раствора определяется активностью свободных водородных (Н⁺) и гидроксильных ионов (ОН^-) и измеряется рН.

Нейтральная и слабощелочная реакция почвенного раствора характерна для сероземов, черноземов, почв прерий, луговых почв, коричневых почв, хлоридно-сульфатных солончаков. Щелочная реакция почвенного раствора характерна для почв, содержащих карбонаты щелочей и

щелочных земель или повышенное количество обменного натрия и калия в поглощающем комплексе (южные черноземы, каштановые почвы, почвы саванн, содовые солончаки, солонцы, такыры). Почвы влажных лесных областей севера или влажных тропических и субтропических областей (подзолистые и серые лесные почвы, красноземы, желтоземы, болотные торфяники) имеют кислую реакцию почвенного раствора.