Основная гидрофизическая характеристика почвы

Шеин Е.В. Курс физики почв. — Оглавление

Введение, 4
1. Фундаментальные законы, 4
2. Принципы изучения почвы как природного естественно-исторического тела, 5
3. Почва как физическое тело. Предмет физики и почв, 7

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. Почва – гетерогенная, многофазная, пористая система, 9
1. Фазы почвы, их соотношение, 9
2. Плотность твердой фазы, почвы и агрегатов, 10
3. Порозность почв, агрегатов, межагрегатная, 13
4. Типичные значения плотности и порозности почв, 14
5. Плотность почвы и урожай, 15
6. Экологическое значение плотности почвы, 20
7. Размеры пор и их функции. Дифференциальная порозность почв, 20
8. Методы определения плотности почв, агрегатов, твердой фазы, 23

ЧАСТЬ ВТОРАЯ. Гранулометрический состав почв, 29
1. Элементарные почвенные частицы, 29
2. Фракции элементарных почвенных частиц, 31
3. Состав и свойства фракций гранулометрических элементов, 34
4. Интегральные и дифференциальные кривые гранулометрического состава. Количественные характеристики распределения частиц по размерам, 35
5. Классификация почв по гранулометрии, 40
6. Гранулометрический состав почвенного профиля, 46
7. Гранулометрический анализ почв, 49

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ. Структура почвы, 54
1. Микроагрегатный состав почв, 54
2. Понятие о структуре почвы как об ее агрегатном составе, 57
3. Оценка структуры. Ситовой анализ, 58
4. Оценка структуры почвы, 61
5. Структура почвы и урожай, 64
6. Оптимальные диапазоны содержания воды и воздуха, 67
7. Формирование почвенной структуры, 68
7.1. Строение агрегата, 68
7.2. Основные теории структурообразования, 69
7.3. Значение амфифильных свойств почвенного органического вещества, 71

ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ. Удельная поверхность почв, 76
1. Полная, внутренняя и внешняя удельные поверхности почв, 76
2. Изотерма адсорбции паров воды почвами. Уравнение БЭТ, 79
3. Определение и анализ данных по удельной поверхности, 86
4. Принципы методов определения удельной поверхности, 89

ЧАСТЬ ПЯТАЯ. Влажность почвы. Формы воды и почвенно-гидрологические константы, 91
1. Влажность. Различные формы выражения, 91
2. Формы воды в почве и энергетические константы, 94
3. Почвенно-гидрологические константы, 109
4. Методы определения влажности почвы, 115
4.1. Прямые методы: термостатно-весовой, 115
4.2. Косвенные методы, 115

ЧАСТЬ ШЕСТАЯ. Давление (потенциал) влаги в почве, 124
1. Понятие о капиллярно-сорбционном (матричном) давлении влаги в почве, 124
2. Составляющие полного давления влаги в почве, 129
3. Термодинамическое обоснование потенциала влаги. Полный потенциал влаги и его составляющие, 132
4. О методах определения потенциала влаги в почве, 136

ЧАСТЬ СЕДЬМАЯ. Основная гидрофизическая характеристика, 144
1. Зависимость между капиллярно-сорбционным (матричным) давлением влаги и влажностью – основная гидрофизическая характеристика (ОГХ). Физическая сущность и формы представления, 144
2. Зависимость ОГХ от фундаментальных свойств почв, 149
3. Использование ОГХ, 155
4. Гистерезис ОГХ, 161
5. О методах определения ОГХ, 163
6. Педотрансферные функции, 168

ЧАСТЬ ВОСЬМАЯ. Движение воды в почве, 174
1. Движение воды в насыщенной влагой почве (фильтрация), 174
1.1. Закон Дарси, 174
1.2. Виды фильтрации и фильтрационных задач, 179
1.3. Отклонения от закона Дарси, 182
2. Водопроницаемость. Впитывание (инфильтрация) воды в почву, 184
3. Коэффициенты фильтрации и впитывания: экспериментальные определения и расчеты, 187
4. Движение воды в не насыщенной влагой почве, 192
4.1. Функция влагопроводности (коэффициент влагопроводности или ненасыщенной гидравлической проводимости), 192
4.2. Модифицированный закон Дарси, 198
4.3. Основное уравнение движения почвенной влаги, 202
4.4. Расчет движения воды в не насыщенной влагой почве, 205
4.4.1. Расчет с использованием основной гидрофизической характеристики (ОГХ) и функции влагопроводности, 205
4.4.2. Расчет с использованием гидрологических констант, 208
5. Термовлагоперенос, 210
5.1. Термопароперенос, 210
5.2. Совместный парожидкостный перенос влаги в неизотермических условиях, 211
5.3. Перенос влаги в замерзающих почвах, 213

ЧАСТЬ ДЕВЯТАЯ. Движение влаги в системе «почва-растение-атмосфера», 219
1. Понятие о влагообеспеченности растений. Транспирация, 219
2. Термодинамический подход к описанию передвижения влаги в системе «почва-растение-атмосфера», 221
3. Критическое давление влаги в почве. Научные основы регулирования водного питания растений, 224
4. Зависимость критического давления от различных факторов, 226

ЧАСТЬ ДЕСЯТАЯ. Водный режим и баланс почв, 230
1. Водный режим почв, 230
1.1. Динамика влажности в почве. Водный режим почв, 230
1.2. Различные формы представления водного режима: распределение влажности по глубине, послойные динамики, хроно- и топоизоплеты, 232
2. Водный баланс почв, 242
2.1. Составляющие и уравнение водного баланса, 242
2.2. Оценка некоторых составляющих водного баланса, 244
2.2.1. Испарение с поверхности почвы. Транспирация, 244
2.2.2. Внутрипочвенный отток, 247
2.2.3. Конденсация, 250

ЧАСТЬ ОДИННАДЦАТАЯ. Перенос растворимых веществ в почве, 255
1. Конвективный перенос. Уравнение неразрывности, 255
2. Диффузия, 257
3. Гидродинамическая дисперсия. Уравнение конвективно-диффузионного переноса, 259
4. «Выходные данные», 265
4.1. Анализ процессов при движении ионов в почве, 265
4.2. Кинетическая сорбция (десорбция) веществ, 269
4.3. Значение проточных и застойных зон первого пространства почв, 271
5. Основные процессы и параметры переноса растворимых веществ в почве, 274
6. Термодинамические подходы к совместному переносу веществ, тепла, электрических зарядов. Принцип Онсагера, 276

ЧАСТЬ ДВЕНАДЦАТАЯ. Математические модели движения влаги и веществ в почвах, 279
1. Основные этапы моделирования, 280
2. Понятие о расчетных схемах, начальных, граничных условиях и экспериментальном обеспечении моделей, 284
3. Процесс моделирования: «наполнение» модели экспериментальными данными, поливариантные расчеты, 289
4. Использование моделей, 292

ЧАСТЬ ТРИНАДЦАТАЯ. Газовая фаза почвы, 296
1. Основные понятия: аэрация и порозность аэрации, воздухообмен, воздухоносная порозность, дыхание почв, 296
2. Газовый состав почвенного воздуха. Газообмен с атмосферой, 298
3. Перенос газов в почве, 302
3.1. Конвекция, 304
3.2. Диффузия, 306
4. Методы исследования газового состава почвенного воздуха, 309

ЧАСТЬ ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ. Теплофизика почв, 314
1. Радиационный и тепловой баланс, 314
1.1. Радиационный баланс, 315
1.2. Тепловой баланс, 317
2. Перенос тепла в почве. Основные механизмы, 321
3. Теплофизические свойства почв, 328
4. Тепловой и температурный режимы почв, 330
5. Температурные оптимумы, 332
6. Классификация тепловых режимов, 333
7. Методы изучения составляющих радиационного баланса и теплофизических свойств почв, 334

ЧАСТЬ ПЯТНАДЦАТАЯ. Реология почв, 337
1. Типы связей и структур межчастичного взаимодействия, 337
2. Основные понятия, 340
3. Реологические законы для идеальных систем, 344
4. Основные реологические модели, применяемые к почве, 346
5. Пределы Аттерберга. Взаимосвязь реологических состояний с ОГХ, 350
6. Тиксотропия. Реопексия. Дилатансия, 353

ЧАСТЬ ШЕСТНАДЦАТАЯ. Деформации почв, 359
1. Основные понятия, 359
2. Деформации сжатия (растяжения), 360
3. Деформации сдвига, 370
4. Природные и антропогенно обусловленные физико-механические явления при деформациях сжатия и сдвига, 374
5. Прогноз уплотнения почв, 377
6. Сопротивление пенетрации, 380

ЧАСТЬ СЕМНАДЦАТАЯ. Набухание и усадка почв. Липкость почв, 385
1. Набухание, 385
2. Усадка почв и почвенных агрегатов, 392
3. Липкость почв, 399

ЧАСТЬ ВОСЕМНАДЦАТАЯ. Некоторые специальные вопросы физики почв, 402
1. Преимущественные потоки влаги и веществ в почве, 402
2. Пространственная неоднородность физических свойств и процессов, 406
3. Многокомпонентный перенос в зоне аэрации и в грунтовых водах, 406
4. Конструирование почв, 409

Источник

Основная гидрофизическая характеристика —>

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Основна́я гидрофизи́ческая характери́стика (ОГХ, кривая водоудерживания) — в физике почв изотермическая равновесная зависимость между капиллярно-сорбционным (матричным) давлением почвенной влаги и влажностью (обычно объёмной). Форма ОГХ специфична для каждого почвенного образца и характеризует структуру порового пространства почвы, гранулометрический и минералогический состав. Характеризуется гистерезисом, то есть несовпадением форм кривой при увлажнении и иссушении образца. В виду доминирования во времени в естественных условиях процессов иссушения, а также их равновесности, чаще используют ОГХ, найденную именно для иссушаемого образца.

Форма кривой ОГХ

Обычно ОГХ представляется в графической форме (реже в виде таблицы), как зависимость капиллярно-сорбционного давления от влажности. При этом для давления используется логарифмическая шкала, берётся десятичный логарифм от абсолютной величины давления — pF. Полученная кривая имеет S-образную форму, на которой выделяют несколько характерных областей:

• насыщения (при pF от 0 до в среднем 1,7)
• капиллярная (1,7 — 3,0)
• плёночная (3 — 4,5)
• сорбционная (более 4,5)
• недоступной для растений влаги (pF более 4,18)

а также несколько характерных точек. Первая точка соответствует pF близкому к 0, то есть почти полностью заполненному водой поровому пространству почвы (достичь абсолютно полного заполнения редко удаётся). Место первого изгиба кривой называют «давлением выхода воздуха (барботирования)». Между первой и второй точками изменение давления почвенной влаги приводит лишь к изменению кривизны капиллярных менисков, но не к изменению влажности. От второй точки и далее изменение давления означает изменение доли почвенных пор заполненных водой (и пор, заполненных воздухом). Третья точка отражает влажность, соответствующую переходу области плёночно-капиллярной влаги к сорбционной.

Зависимость ОГХ от свойств почвы

Гранулометрический состав. Облегчение грансостава приводит к сдвигу верхней части ОГХ влево, нижняя остаётся относительно неизменной.

Плотность почвы. Рыхление приводит к сдвигу верхней части ОГХ влево, в нижней вправо, в область высокой влажности.

Минералогический состав. При одном и том же давлении почвенной влаги водоудерживающая способность, к примеру, монтмориллонита, будет выше каолинита, поэтому его ОГХ будет сдвинута вправо, в область высоких влажностей.

Распределение пор по размеру. Капиллярно-сорбционное давление почвенной влаги, выраженное в сантиметрах водного столба — это высота капиллярного поднятия, по формуле Жюрена связанная с радиусом капилляра:

Разбив ось ординат на доли и посчитав для них радиусы (или диаметры) пор, по оси абсцисс (при использовании объёмной влажности) получим долю пор данного радиуса в общем поровом пространстве.

Почвенно-гидрологичские константы. А. Д. Воронин получил уравнения зависимости прямых, пересечение которых с ОГХ дают значения той или иной константы. Так, для максимальной адсорбционной влагоёмкости (МАВ) имеет место следующее уравнение: pF = 5,2 + 3W

Для максимальной молекулярной (ММВ): pF = 2,17 + 3W

Для максимальной капиллярно-сорбционной (МКСВ): pF = 2,17 + W

Для капиллярной (КВ): pF = 2,17

Константа 2,17 соответствует pF при радиусе капилляра 10 мкм — расстоянии, на которое распространяется влияние поверхностных сил твёрдой фазы почвы.

Методы определения

Не существует метода, позволяющего определить ОГХ во всём диапазоне pF. Примерно до pF 2,9 возможно использование тензиометра в сочетании с отбором проб на влажность (полевой метод) или его варианта – капилляриметра: тензиометра, опущенного в насыщенную водой почву и соединённого другим концом с насосом (лабораторный метод). Задание воздуху в капилляриметре известного давления приводит к выходу в него из почвы некоторого количества воды, которое следует измерить после достижения равновесия. Капиллярно-сорбционное давление будет равно давлению воздуха с поправкой на давление столба воды в приборе, влажность находят методом обратного пересчёта. На сходных принципах основывается устройство тензиостата.

В области pF до 5, а иногда и выше, может быть использован мембранный пресс. Его принцип действия: на тонкопористую мембрану кладётся насыщенный образец почвы и над ним создаётся повышенное давление газа. Под мембраной сохраняется атмосферное давление и вода будет выходить из почвы, а её давление снижаться, до тех пор пока по абсолютной величине не сравняется с избыточным давлением газа над образцом.

При еще больших значениях pF используют гигроскопический метод (или метод равновесия над растворами солей). В эксикаторе над раствором соли устанавливается строго определённое относительное давление пара воды, после достижения равновесия в почве создастся соответствующее давление (потенциал) влаги. Остаётся только определить влажность.

Источник