Водно-физические свойства почв

Степень уплотнения слоёв водных молекул и испытываемое ими давление различны: в самом поверхностном слое при насыщении почвы до максимальной гигроскопичности осмотическое давление составляет около 50 атмосферосфер. По мере приближения слоёв к поверхности почвенной частицы испытываемое ими давление резко возрастает, достигая десятков тысяч атмосфер.

Культурным растениям гигроскопическая и максимально-гигроскопическая вода недоступны, так как осмотическое давление клеточного сока в их корнях ниже 50 атмосфер. Запас воды в почве в пределах максимальной гигроскопичности называют «мёртвым запасом». Некоторые солянки, в клеточном соке которых осмотическое давление повышается до 70 атмосфер и более, могут использовать часть максимальной гигроскопической воды.

2.5. Плёночная вода.

При насыщении почвы водой до максимальной гигроскопичности не исчерпывается полностью поверхностная энергия почвы. Если такую почву погрузить в воду, то мощность слоя адсорбированной воды вокруг почвенных частиц возрастёт. Добавочная вода сверх максимальной гигроскопической, которая адсорбируется почвой из жидкой фазы, будет плёночной водой.

Количество плёночной воды зависит от свойств почвы. Иногда плёночной воды в почве о весу столько же, сколько и максимальной гигроскопической, но чаще плёночной воды бывает значительно больше. Плёночная вода притягивается к почве меньшими силами, чем максимальная гигроскопическая, поэтому она меньше уплотнена. Это вода, рыхло связанная с почвой, слабо ориентированная. Поскольку осмотическое давление плёночной воды высокое и мобильность её низкая, она с трудом усваивается растениями.

А.Ф. Лебедев сумму двух форм воды – максимально гигроскопической и плёночной – объединил под названием максимальной молекулярной влагоёмкости. Для её нахождения существует 3 метода:

1) Метод увлажняемых высоких почвенных колонн;

2) Метод центрифугирования;

3) Метод плёночного равновесия.

В первом методе колонна однородного грунта подвергается сквозному промачиванию при подаче воды сверху. После стекания из колонны гравитационной воды она укладывается горизонтально и послойно определяется влажность почвы. Отрезок почвы в верхней части колонны (исключая поверхностный слой) будет содержать воду, соответствующую максимальной молекулярной влагоёмкости.

По второму методу эта величина находится путём центрифугирования смоченной почвы при ускорении силы тяжести в 18 000 – 20 000 g. Остаточная в почве вода характеризуется, как максимальная молекулярная влагоёмкость почвы.

В третьем методе максимальная молекулярная влагоёмкость определяется путём помещения сырого образца почвы между листами фильтровальной бумаги и последующего отжатия воды масляным прессом при давлении 66 кг/см. Предполагается, что в почве после отжатия лишней воды в подушки фильтровальной бумаги останется лишь вода, соответсвующая максимальной молекулярной влагоёмкости.

2.6. Капиллярная вода.

Новое качественное физическое состояние воды под землей возникает при условии полного заполнения пор. Если диаметр поры не превышает 1 мм (так называемые капиллярные поры), то вода будет находиться под влиянием молекулярных сил и сил поверхностного натяжения, получивших в данном случае название капиллярных сил.

Столбик воды, заполняющий капиллярную пору, ограничен сверху и снизу вогнутыми поверхностями - менисками. Каждый из этих менисков действует подобно всасывающему насосу, стремясь сдвинуть весь столбик воды в свою сторону. Пока пора заполнена водой на небольшом протяжении, действия верхнего и нижнего менисков уравновешивают друг друга, и вода остается неподвижной, находясь как бы в подвешенном состоянии. Такие висячие капиллярные воды очень распространены в природе. К ним в большинстве случаев относятся почвенные воды, обусловливающие влажность почвы и тогда, когда подпочва совершенно суха.

На некоторой глубине, где поры породы целиком заполнены жидкой водой, последняя может по капиллярным порам подниматься и в вышележащую часть породы, иногда довольно высоко. Это происходит потому, что в данном случае нижнего мениска в поре не существует, а верхний мениск как бы засасывает воду вверх с тем большей силой, чем тоньше пора. Поэтому величина капиллярного поднятия воды наибольшая в тонкозернистых, а следовательно, и тонкопористых породах - суглинках и глинах - и значительно меньше в песках. В галечниках капиллярное поднятие практически отсутствует, так как подавляющее большинство пор здесь очень крупные. Под влиянием капиллярных сил глина всасывает в себя воду с силой, определяемой в 3 атмосферы, причем высота подъема воды достигает 30 м. В еще более мелкозернистой породе - литографском сланце — величина силы всасывания достигает 5 атмосфер и подъем воды в капиллярах может осуществляться на высоту до 50м.

Противоположное явление происходит в том случае, если порода с капиллярными порами будет сверху залита водой, имеющей свободную поверхность. Так бывает, например, после дождей, когда образуются лужи. В капиллярных порах породы под такими лужами нет верхних, а есть лишь нижние мениски. Они как бы засасывают воду на глубину, способствуя ее инфильтрации даже в слабопроницаемые породы. Это явление играет очень большую роль в образовании подземных вод за счет атмосферных осадков.

2.7. Гравитационная (свободная) вода.

Новое качественное состояние подземной воды наступает в крупнопористых породах, при диаметре пор более 1 мм. В таких порах даже при неполном заполнении их водой последняя начинает перемещаться под влиянием силы тяжести (гравитация), если толщина водной пленки, покрывающей стенки пор, достаточно велика. Тем более это касается случая полного заполнения крупных пор, когда вода практически целиком движется под воздействием силы тяжести, т. е. течет в сторону уклона ложа. Именно эти гравитационные воды только и являются водами свободными, тогда как капиллярные, а особенно пленочные воды все же, хотя и рыхло, но связаны с горной породой. Только гравитационные воды являются практически доступными для эксплуатации, как поддающиеся извлечению из горных пород с помощью вычерпывания, откачки и т. п. Ни капиллярная, ни тем более пленочная вода добываться из земных недр в качестве полезного ископаемого не может, так как технически доступными способами выделить ее в жидком состоянии нельзя. Когда говорят о подземных водах, то и имеют в виду именно гравитационные воды.

2.8. Твёрдая вода

В зонах промерзания почв играет большую роль в почвообразовательных процессах твёрдая вода. Свободная вода в незасоленной почве замерзает при отрицательных температурах, близких к 0°С. Отрицательные температуры, при которых замерзает капиллярная вода, возрастают по мере уменьшения диаметра капиллярных пор до десятков градусов. Эта закономерность определяет роль промораживания почвы в процессах структкрообразования. Промораживание оптимально смоченной почвы (не свыше общей её влагоёмкости) сопровождается улучшением структуры почвы: за счёт спрессования комков и зёрен водой, замёрзшей в крупных порах. Промораживание переувлажнённой почвы сопровождается разрывом льдом комков и зёрен и почти полным обесструкткриванием почвы. Кроме того, замёрзшая в таком состоянии почва весной до её оттаивания является абсолютным водоупором, в то время как структурная почва обладает даже в замёрзшем состоянии заметной водопроницаемостью.

В форме льда почва может накапливать значительные запасы воды, что является положительным для местностей с сухой весной. Однако этот же процесс на заболоченных территориях вызывает пучение грунтов.

2.9. Парообразная вода.

Так как влажность всех почв, за исключением самого поверхностного слоя, всегда выше максимальной гигроскопической, то относительная влажность воздуха в них на глубинах равна 100%. А так как упругость водяного пара, насыщающего пространство, повышается вместе с температурой, то в силу различий в упругости парообразная вода в почве будет передвигаться из слоёв более нагретых в слои менее нагретые. Выявление данной закономерности позволяет предугадывать размеры и направление конденсационных процессов в почве, что важно для познания водного и теплового режимов почв и для обеспечения почв влагой.

2.10. Внутриклеточная вода.

Содержится в отмерших и недоразложившихся остатках растений в почве, например в дерновых горизонтах и лесных подстилках, при запахивании сидератов, пласта трав и др. До высвобождения этой формы воды из клеток отмершей растительной ткани растениям она недоступна. Большой процент такой воды содержится в болотных почвах и особенно в недоразложившихся торфах.

2.11. Тяжёлая вода.

Тяжёлая вода (оксид дейтерия) имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов водорода содержит два тяжёлых изотопа водорода — атомы дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как DO или 2H2O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды. Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной, константы диссоциации молекулы тяжёлой воды меньше таковых для обычной воды.

Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году году. А уже в 1933 году Гильберт Льюис получил чистую тяжёловодородную воду путём электролиза обычной воды.

В природных водах соотношение между тяжёлой и обычной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D2O, хотя на самом деле он частично находится в составе полутяжёлой воды HDO).

Тяжёлая вода токсична лишь в слабой степени, химические реакции в её среде проходят несколько медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над млекопитающими показали, что замещение 25% водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного. Однако, некоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде) (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии). Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. В этом отношении тяжёлая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль.

Тяжёлая вода накапливается в остатке электролита при многократном электролизе воды. На открытом воздухе тяжёлая вода быстро поглощает пары обычной воды, поэтому можно сказать, что она гигроскопична.

3. Водопроницаемость почвы.

От водопроницаемости зависит степень восприятия почвой атмосферных осадков или поливных вод, формирование поверхностного и внутрипочвенного стока воды, интенсивность процессов водной эрозии, формирование почвенных горизонтов и др.

Под водопроницаемостью почвы понимают способность почвы воспринимать воду, подаваемую с поверхности почвы, проводить эту воду от слоя к слою в ненасыщенных водой горизонтах и фильтровать воду сквозь определённую толщу горизонтов, вполне насыщенных водой.

Процесс восприятия воды сухой или ненасыщенной водой почвы называют впитыванием воды и измеряют его «коэффициентом впитывания», в отличие от «коэффициента фильтрации», которым характеризуют интенсивность прохождения воды сквозь почвенные или грунтовые слои, вполне насыщенные водой. Поверхностные горизонты почвы, первыми воспринимающие воду, насыщаются ею в первую очередь.

Фильтрацию воды в чистом виде можно наблюдать лишь на территориях, длительно заливаемых водой, например в днищах водоёмов, рек каналов и при сквозных промывках почв от солей. В агрономической практике в большинстве случаев сталкиваются с явлением впитывания воды почвой.

Выражают величину водопроницаемости почвы в мм или см водного столба в единицу времени; в л/м или в м/га.

Интенсивность и характер водопроницаемости почвы зависит от механического и химического их состава, от структурности, плотности сложения, порозности, влажности почв и длительности их увлажнения.

Водопроницаемость измельчённых почв в сильнейшей степени зависит от их механического состава, а песков – от крупности слагающих их зёрен. Наименее водопроницаемы глинистые почвы, средней водопроницаемостью обладают суглинки, а наиболее водопроницаемы – пески.

При определении и характеристике водопроницаемости почвы нужно иметь в виду следующие особенности этого свойства:

1) Водопроницаемость почвы весьма динамична и, как правило, уменьшается во времени. Причина динамичности водопроницаемости лежит в обесструктуривании и набухании почвы при длительном увлажнении, а также в возрастающем трении воды сперва о почву, а позже – о водные плёнки, покрывающие почвенные частицы, при охвате процессами смачивания или фильтрации всё большей и большей её толщи. Чем более водоупорны агрегаты почвы, тем менее динамична её водопроницаемость. Иногда закономерный характер изменения водопроницаемости почвы во времени нарушается наличием в почве защемлённого воздуха. По мере вытеснения его из почвы интенсивность водопроницаемости может временно возрастать. Но, в конечном счёте она во времени падает, стремясь к постоянной величине.

В целях правильной характеристики почвы со стороны её проницаемости это свойство нужно изучать в динамическом разрезе, продолжая наблюдение в течение нескольких часов, суток или даже месяцев.

2) Водопроницаемость почвы сильно варьирующее свойство. В зависимости от невыровненности сложения почвы, наличия в ней кротовин, червоточин, дендрин, трещин она может варьировать для одной и той же почвы в весьма широких пределах. Водопроницаемость характеризуется турбулентным (неравномерным) движением воды. Поэтому определять это свойство нужно обязательно с контролем.