ПОТЕНЦИАЛ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ И СОСУЩАЯ СИЛА ПОЧВЫ
РАСЧЕТ ЗАПАСОВ ВЛАГИ В ПОЧВЕ
Запасы воды, м3/га, в отдельном горизонте или слое почвы конкретной мощности определяют по формуле:
Всвязи с тем, что выпадающие осадки измеряют в миллиметрах водного столба, целесообразно запасы влаги в почве выражать в этих же единицах, Поскольку запас воды 1 м/га соответствует 0,1мм водного столба, вычисления производят по формуле: 
Для определения запаса влаги, м 3 /га, в заданной толще почвы производят вычисления по отдельным горизонтам и суммируют полученные результаты для необходимого слоя:
При оценке запасов влаги в почве различают: общий запас влаги (ОЗВ), запас недоступной влаги (ЗНВ) и запас продуктивной влаги (ЗПВ).
Для расчета ОЗВ используют ППВ, НВ, КВ или полевую влажность почвы (ВП). Последний показатель в отличие от почвенно-гидрологических констант — величина непостоянная, она характеризует влажность почвы в определенный момент времени.
По общему запасу влаги судят о количестве всей воды, содержащейся в почве, включая воду, недоступную для растений. Поэтому после того, как найден ОЗВ, рассчитывают ЗНВ, м 3 /га, аналогично общему запасу, используя значения влажности завядания в тех же горизонтах:
Запас продуктивной влаги, м3/га, в почве находят по формуле:
Наивысшему увлажнению почвы в полевых условиях при свободном стоке гравитационной влаги соответствует предельно-полевая влагоемкость. Диапазон продуктивной (активной) влаги (ДПВ)в почве вычисляют по формуле:
Поразности между предельно-полевой влагоемкостью и фактической влажностью почвы в определенный момент времени находят дефицит влаги (ДВ) в почве: ДВ = ППВ- ВП.
Диапазон продуктивной влаги и дефицит влаги выражают как в %,так и в м 3 /га и мм. Расчет запасов ДПВ и ДВ в заданной толще почвы проводят аналогично расчетам запасов ОЗВ и ЗНВ,подставляя в формулу значения соответствующих показателей.
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 -10 4 до -3×10 4 Па, а влажности завядания соответствуют значения от -6×10 5 до -2,5×10 5 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 10 7 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».
Источник
График отражающий зависимость потенциала или давления почвенной влаги от влажности почвы
Лекция 19. ВЛАГА И ПОЧВА
Вода в почве может передвигаться, в основном, в двух состояниях:
• в виде жидкости;
• в виде пара,
хотя содержаться она может ещё и в виде льда, и при этом даже ещё и слегка двигаться…
Наиболее изучено передвижение влаги в почве в жидком виде, наверное, потому, что оно легче поддаётся контролю с помощью приборов.
Однако с помощью существующих приборов, измеряется только результат передвижения влаги (то есть, содержание влаги в объёме почвы в определённом горизонте), но не сам процесс её передвижения. (Чтоб было понятно, представим себе бассейн, в который вода может поступать по трубе и в виде атмосферных осадков, а также испаряться. Если у нас нет осадкомера, измерителя испарения и водомера на трубе, мы можем только оценить суммарное действие приходных и расходных статей по изменению уровня воды в бассейне, однако если дно и стенки бассейна не герметичны, появляется ещё и четвёртая статья баланса – фильтрационные потери, которая вообще может исказить все наши представления о роли трёх вышеуказанных!)
Классическим методом изучения режима влажности почвы долгое время являлся термостатно-весовой способ (образцы почвы извлекались из почвы тем или иным способом, укладывались в плотно закрывающиеся металлические стаканчики, взвешивались, высушивались в электропечах-термостатах и снова взвешивались. По разнице влажного и сухого грунта вычислялась влажность почвы в точке отбора образца).
Были попытки использовать электрометрические методы, путём измерения удельной электропроводности почвы, а также гаммоскопические методы. Эти методы не нашли широкого применения из-за того, что и электропроводность и проницаемость почвы для гамма-лучей зависят не только от наличия свободной воды, но и от содержания солей в почве и связанной воды в почвенных минералах.
Измерение только влажности в различных точках по глубине почвенного слоя даёт лишь косвенное представление о передвижении влаги в ней.
Однако до сих пор нет приборов — потокомеров, которые бы могли с удовлетворительной точностью напрямую измерять количество влаги прошедшей через определённое сечение почвы (неважно, в вертикальном или горизонтальном направлениях). Возможен такой случай, когда влажность на одних и тех же глубинах остаётся длительное время постоянной, а расход влаги на испарение доказан. Почему это происходит, хорошо и понятно объяснил академик С.Ф.Аверьянов:
«очевидно, что в зажженной керосиновой лампе керосин поднимается по фитилю, хотя влажность фитиля на определённой высоте от уровня керосина остаётся постоянной».
Понятно, что керосин движется по фитилю за счёт разности всасывающего давления у горящего конца фитиля и у уровня керосина, но сколько именно керосина проходит в единицу времени через фитиль, можно точно определить, лишь наблюдая за уменьшением объёма керосина в резервуаре лампы (хотя, зная характеристики «керосинопроводности» фитиля, его насыщенность керосином в разных точках по высоте и длину, теоретически вполне возможно рассчитать и это).
То же самое происходит в почве при установившемся во времени потоке влаги (это, как правило, происходит при достаточно длительном иссушении её и при наличии подземного притока грунтовых вод). В некоторых частных случаях профиль влажности почвы и уровень грунтовых вод могут оставаться стабильными, несмотря на то, что поток влаги к поверхности почвы будет иметь место (кстати, и наоборот, при наличии подземного оттока уровень грунтовых вод может быть стабилен, несмотря на выпадение осадков). Это легко может быть продемонстрировано с помощью, т.н. лизиметров – герметически закрытых с боков и снизу сосудов с почвой, устройство которых позволяет автоматически поддерживать заданный уровень грунтовых вод на определённой глубине и учитывать количество долитой воды. (Аналогично задачке по арифметике для 5 класса средней школы о бассейне с двумя трубами. Через одну трубу втекает вода, через другую – вытекает, и если количество втекающей воды равно количеству вытекающей, то уровень в бассейне остаётся постоянным).
На рисунке 19.1 показана схема простейшего лизиметра. Верхний край лизиметра обычно устанавливается на уровне почвы (чтобы предохранить сам лизиметр от прогрева солнечными лучами, а приборы для поддержания уровня грунтовых вод – в подвальном помещении.
Рисунок 19.1 Сосуд для измерения испарения из почвы — лизиметр.
Теперь вспомним то, о чём мы говорили в лекциях 5 и 7 (см. рисунок 19.2) о силах, удерживающих разные по отдалённости от почвенных частиц её мономолекулярных слоёв воды, и попытаемся понять основные механизмы удержания влаги в почве.
Рисунок 19.2 Зависимость давления почвенной влаги от толщины слоя влаги (числа слоёв молекул воды) вокруг почвенных частиц
Для этого обратимся к основам гидростатики почвенной влаги. Напомним, что обозначает термин уровень грунтовых вод (УГВ). Это положение воды в колодце или скважине в статическом состоянии. На этом уровне давление влаги в почве равно атмосферному. Выше и ниже этого уровня давление почвенной влаги будет меняться согласно законам гидростатики так, как это показано на рисунке 19.4 (в центре). Хотелось бы подчеркнуть, что понятие УГВ, хоть и связано косвенно с влажностью почвы, но оно ничего больше не значит, кроме того, что выше выделено красным. Поэтому, когда говорят, что почва «подпитывается влагой из грунтовых вод», у неискушенных читателей создаётся впечатление, что там, ниже УГВ, расположен резервуар с водой (примерно так, как у лизиметра на рис. 19.1!). На самом деле, там просто субстрат (грунт) насыщен водой, и, по мере расходования почвенной влаги на испарение, условная линия, отвечающая единственному признаку – давление на уровне которой равно атмосферному, перемещается вниз, что и обнаруживается с помощью скважины, колодца или т.н. пьезометра (измерителя давления, если по-русски).
Почему же свободная (жидкая) вода появляется на глубине этой условной линии? Да потому, что выше этой линии всасывающее давление почвы удерживает воду от вытекания из почвы в колодец, а ниже её, наоборот, гидростатическое давление выталкивает воду в колодец.
Ниже УГВ давление возрастает с глубиной на величину погружения под УГВ и называется оно гидростатическое давление (его совершенно случайно обнаружил в своей ванне древнегреческий учёный – Архимед…, когда оно его чуть не вытолкнуло из оной!).
Если поместить датчик давления (пьезометр) на глубину 6 м, то при УГВ 5 м он покажет положительное давление +1 м.водн.ст. или, приблизительно, 0,1 атм.
Датчик отрицательного, иначе, всасывающего давления почвенной влаги (тензиометр), установленный на глубине 4 м покажет давление — 1 м.водн.ст. (минус 1 м), то есть отрицательное. Оно, чем выше стоит датчик над УГВ тем меньше (по абсолютной величине).
Обычно датчики отрицательного давления (тензиометры см. рисунок 19.3) по своим конструктивным особенностям не в состоянии показать давления менее — 5. — 7 м. из-за срыва вакуума в приборе, однако энергетическое состояние влаги (которое можно установить другими, косвенными методами) нам удобно и наглядно (условно) выражать именно в атмосферах а не в джоулях на кг, поэтому мы, прекрасно зная что вакуум мене 1 атмосферы, или
10 метров водного столба не бывает, будем использовать для наглядности привычные нам в обиходе единицы — метры водного столба и атмосферы.
Рисунок 19.3 Устройство современного тензиометра – прибора для измерения всасывающей силы почвы. При высыхания субстрата, в котором находится пористый наконечник тензиометра, небольшое количество воды из полости прибора переходит в субстрат, а в приборе возникает вакуум, величину которого показывает вакуумметр. Если влажность субстрата опять увеличивается, то влага возвращается в полость прибора и вакуум в нем уменьшается
Если посмотреть на график давления почвенной влаги (капиллярно-сорбционного давления) в различных слоях около частицы почвы (см. лекции 5 и 7, а также рисунок 19.2), то можно убедиться, что чем больше увлажнена почва (чем толще плёнки воды вокруг её частиц), тем слабее вода связана с ней. Значит, чем выше вода находится над УГВ тем большие силы нужны, чтобы удержать воду в равновесии с почвой, а значит, тем суше будет там почва.
Для наглядности мы построили серию графиков (рисунок 19.4), которые отражают состояние среднесуглинистой почвы (влагозапас, давление почвенной влаги и влажность почвы) при равновесном состоянии и УГВ = 5,0 м. Это не выдумка, а инструментально замеренные параметры.
Рисунок 19.4.
Слева — график влагозапасов в слое почвы от поверхности почвы до глубины, значения которой показаны слева от графика (зелёная линия – общий влагозапас, светло зелёная – доступный влагозапас, синяя — уровень грунтовых вод).
В центре — распределение давления почвенной влаги, находящейся в равновесном состоянии при уровне грунтовых вод (УГВ) 5,0 м (синяя линия — уровень грунтовых вод, красная — зависимость давления в метрах водного столба от глубины).
Справа – график влажности среднесуглинистой почвы при равновесии (зелёная линия – влажность почвы, синяя — уровень грунтовых вод, а красная линия ограничивает доступность влаги для растений, так называемая влажность завядания).
Давайте обсудим то, что показано на этих графиках.
Во-первых, — такое (равновесное) состояние в природе обычно наблюдается поздней осенью, после осенних осадков, и ранней весной, после снеготаяния, дождей, и, конечно, только в том случае, если количества атмосферных осадков достаточно, чтобы компенсировать летнее иссушение почвы в верхних её горизонтах. Летом такое состояние может возникнуть кратковременно (спустя некоторое время после поливов). Об этом мы поговорим позже.
Как сказано выше, на рисунке 19.4 на левом графике отражается величина запасов влаги в слое почвы от поверхности до глубины, указанной на шкале, расположенной слева. Запасы доступной влаги в метровом слое среднесуглинистой почвы достигают 1475 м3/га, в полутораметровом – 2260, а в двухметровом – 3075 м3/га. На какую глубину смогут проникнуть корни растения, такие запасы и будут ему доступны, плюс та вода, которая подтянется вверх за время, пока растение её «пьёт», и плюс та вода, которая поступит за это время в виде дождей и конденсата (росы) из воздуха. Как видите, чтобы понять, на что мы можем рассчитывать в тех или иных природных условиях, невозможно обойтись без довольно сложных расчётов. Об этом мы поговорим в следующей лекции, а пока продолжим обсуждение.
На среднем рисунке показаны условия равновесия влаги: т.е. показано давление влаги, выраженное высотой водного столба. Ниже УГВ – положительное, а выше – отрицательное, то есть, всасывающее. А иначе как поднять (и удержать) воду над УГВ?
На правом рисунке показано, какая будет влажность на разной глубине при условии равновесия. Интересно отметить, что даже близко к поверхности почвы она значительно (на 6 %) выше влаги замедления роста и на 14 % выше влажности завядания, и это при глубине грунтовых вод 5 м.! Ниже УГВ влажность почвы (вернее, субстрата) остаётся постоянной, соответствующей полному насыщению.
Для разных почвенных субстратов, в зависимости от крупности частиц преобладающих фракций (а так же от формы и распределения по крупности пор), характеристики зависимости давления почвенной влаги от влажности довольно сильно отличаются. На рисунках 19.5 и 19.6 показаны графики зависимости давления почвенной влаги от её влажности (а, следовательно и от средней толщины водных плёнок или числа мономолекулярных слоёв) для субстратов различного гранулометрического состава. Эти кривые принято называть гидрофизическими характеристиками.
Поясним, почему мы привели два графика, внешне выглядящих по-разному, но отражающих абсолютно одно и, то же. Дело в том, что гидрофизические характеристики в литературе (для удобства) представляют, выражая давление не в атмосферах (отрицательных), не в метрах или сантиметрах водного столба, а значениями десятичных логарифмов давления (обозначая символом pF), вычисленными по абсолютным значениями сосущей силы почвы, выраженной высотой водного столба в сантиметрах, в виде, показанном на рисунке 19.6 с перевёрнутой шкалой pF. Поняли? Ну, если не поняли с первого раза, не смущайтесь, я сам это понял с десятого раза. Давайте просто посмотрим таблицу 19.1 из нескольких граф, чтобы было легко ориентироваться в размерностях, применённых на рисунках.
Рисунок 19.5 Графики зависимости влажности почвы от её давления (в атм.), или гидрофизические характеристики. [1]
Рисунок 19.6. Графики зависимости влажности почвы от её давления, или гидрофизические характеристики, выраженные, в отличии от изображённых на рисунке 19.5, значениями pF = lg(-P), (P в см. водного столба). [1]
Таблица 19.1 Сравнение показателей давления почвенной влаги в разных единицах измерения.
Источник