ПОТЕНЦИАЛ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ И СОСУЩАЯ СИЛА ПОЧВЫ

Оценка состояния воды в почве наряду с традиционным водобалансовым подходом, базирующимся на категориях почвенной влаги и почвенно-гидрологических константах, возможна в с термодинамических позиций.В этом случае одновременно се влажностью почвы необходимо получить характеристику энергетического состояния воды в почве.

Под энергетическим состоянием воды понимают внутреннюю энергию, заключенную в ее массе. Для почвенной влаги внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотического движения молекул воды и потенциальной энергии взаимодействия молекул друг с другом, с нонами и молекулами веществ, растворенных в воде, и с поверхностями раздела твердой фазы почвы. С изменением энергетического состояния воды изменяются ее свойства и характер участия в физических, химических, физико-химических и биологических процессах, протекающих в почве.

На почвенную влагу одновременно влияют различные по природе силовые поля адсорбционные, капиллярное, осмотическое, гравитационное. Выразить результирующее влияние этих разных по величине и направлению сил на энергетическое состояние почвенной влаги путем их суммирования для такой сложной системы, как вода в почве, практически невозможно. Поэтому для данной цели введено понятие термодинамического, или полного, потенциала почвенной воды.

Полный потенциал почвенной воды - работа, которую необходимо затратить на преодоление водоудерживающих сил при извлечении из почвы единицы массы воды. Этот показатель, дж × кг^-1, складывается из суммы частных потенциалов, связанных с разными силовыми полями:

Экспериментально потенциал почвенной воды определяют через потенциал тензиометрического давления, который можно непосредственно измерить с помощью тензиометров или иным способом (сорбции-десорбции паров воды, психрометрическим, методом мембранного пресса).

Потенциал тензиометрического давления воды зависит от влажности почвы, определяющей характер водных пленок и кривизну менисков, давления в газовой фазе, геометрии твердой фазы почвы (или матрицы), т. е. взаимного расположения почвенных частиц.

Потенциал почвенной воды — величина отрицательная, так как затрачивается работа (положительного знака) на его преодоление. Основная единица измерения потенциала Дж/кг. Эквивалентные термины потенциала — давление почвенной влаги и гидростатическое (гидравлическое) давление, измеряемое в сантиметрах водяного столба.

В почве, насыщенной водой, потенциал почвенной влаги практически равен нулю. По мере уменьшения влажности почвы влага все сильнее удерживается твердой фазой, что ведет к снижению потенциала (увеличению его абсолютных отрицательных значений). Так, при влажности почвы, равной предельно-полевой влагоемкости, давление почвенной влаги варьирует от -10⁴ до -3×10⁴ Па, а влажности завядания соответствуют значения от -6×10⁵ до -2,5×10⁵ Па. Одновременно со снижением потенциала растет суммарная сила) обусловливающая способность почв поглощать воду при контакте с ней. Соответственно, чем выше степень иссушения почвы, тем с большей силой она впитывает воду.

Способность почвы поглощать воду) соприкасающуюся с ней, называют всасывающим давлением, или сосущей силой почвы. Всасывающее давление эквивалентно потенциалу почвенной влаги, но выражено положительной величиной. При проявлении всасывающего давления или невыравненности потенциалов вода спонтанно передвигается от более увлажненных участков почвы к более сухим. При этом движущей силой служит не собственно разность потенциалов (давлений) между двумя точками, а градиент потенциала вдоль направления движения. Движущая сила достигает максимальных значений в зоне фронта смачивания, т. е. там, где вода вступает в контакт е сухой почвой и продвигается вперед. Здесь градиент потенциала достигает нескольких сотен и даже тысяч дж× кг ^-1 ×см.

Всасывающее давление почвы измеряют в широком интервале влажности — от гигроскопической до полной влагоемкости е помощью тензиометра или капиллярометра и выражают в паскалях, атмосферах, сантиметрах водяного столба.

Всасывающее давление, развивающееся в почвах, варьирует в широких пределах. При полном насыщении почвы влагой всасывающее давление равно нулю, а по мере иссушения почвы оно возрастает, приближаясь в сухой почве к 10⁷ см вод. ст. Оперировать такими величинами неудобно. Р. К. Скофильд предложил выражать всасывающее давление почвы не в см вод. ст., а десятичным логарифмом этого числа, обозначив его символом рF (по аналогии с рН). Тогда у сухих почв рF будет стремиться к своему верхнему пределу, равному примерно 7, уменьшаясь по мере увлажнения почвы (табл. 76).

Существует довольно тесная зависимость между всасывающим давлением почвы, с одной стороны, и подвижностью почвенной влаги, а также ее доступностью растениям, с другой стороны. Однако поскольку характер взаимодействия воды с твердой фазой каждой конкретной почвы имеет свои особенности, то водно-физические константы не соответствуют определенным значениям рF, одинаковым для всех почв. Поэтому говорят лишь об определенных интервалах рF более широких в одних случаях и более узких - в других. Так, гигроскопической влаге соответствуют значения рF в пределах 3,6-4,4; предельно-полевой влагоёмкости - 2-3; гравитационной влаге - 1,75.

Зависимость всасывающего давления, так же как и капиллярно-сорбционного потенциала, от влажности почвы характеризуется кривой, индивидуальной для каждой отдельной почвы и даже отдельного генетического горизонта, что обусловлено спецификой строения и состава твердой фазы почвы. Эта зависимость неоднозначна. Одной и той же величине всасывающего давления (ил и потенциала) соответствуют различные уровни влажности почвы при иссушении и увлажнении, т. е. наблюдается отчетливо выраженное явление гистерезиса, охватывающего практически весь диапазон влажности почвы. Гистерезис обусловлен нерегулярностью формы порового пространства, в котором большие пустоты сменяются узкими каналами, различием в углах смачивания при заполнении и дренировании пор, наличием тупиковых пор с защемленным в них воздухом, специфической геометрией поверхности раздела вода-воздух при смачивании частиц.

Исходя из того, что в естественных условиях процесс быстрого увлажнения почвы сменяется относительно длительным периодом ее иссушения, влияющим как на развитие растений, так и на технологические свойства почвы, для практических целей преимущественно используют кривую иссушения гистерезисной петли. Эту кривую, отражающую зависимость давления почвенной влаги от влажности почвы, называют кривой водоудерживания. Ее считают основной гидрофизической характеристикой почвы.

А.Д.Воронин, развивая структурно-энергетическую концепцию физического состояния почв, вывел некоторые эмпирические зависимости, е помощью которых по кривой водоудерживания можно выявлять области перехода между категориями почвенной влаги и содержание той или иной категории воды. Также можно определять и другие важные агрофизические показатели: влажность проявления липкости и влажность, оптимальную для агрегирования, верхнюю и нижнюю границы пластичности, дифференцировать поры по их функциям.

Дальнейшее развитие термодинамического подхода к оценке состояния воды в почве имеет большое значение для управления водным режимом в системе «почва-растение».