Водный потенциал почвы это

Потенциал почвенной воды. Капиллярно-сорбционный потенциал почвенной воды или матричный потенциал

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 — это количество работы, которую необходимо затратить, чтобы перенести единицу свободной чистой воды обратимо и изотермически из стандартного состояния S0 в то состояние Sn, в котором она находится в рассматриваемой точке почвы. Иными словами, 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 Р0. 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

Адсорбционный потенциал почвенной воды (ф„), или адсорбционное давление (расклинивающее давление, по Б. В. Деря- гину), возникает в процессе взаимодействия молекул воды с поверхностью твердой фазы почвы, в результате которого вода сорбируется твердыми почвенными частицами в виде тонкой пленит. Возникающий при этом потенциал прямо пропорционален работе десорбции воды (dAJ и обратно пропорционален поверхности твердой фазы (S) и толщине адсорбированного слоя (dh)

Капиллярный потенциал почвенной воды или ее капиллярное давление, возникает на поверхности раздела между твердой, жидкой и газовой фазами почвы в гонких капиллярах; он пропорционален работе по «отсасыванию» капиллярной воды (dAJ и обратно пропорционален изменению ее объема (dV)

Осмотический потенциал почвенной воды (ф0), или ее осмотическое давление, возникающий вследствие наличия в воде растворенных веществ, пропорционален работе (dAJ по удалению воды из раствора (например, через полупроницаемую мембрану, при помощи электродиализа) и обратно пропорционален изменению ее объема

Гравитационный потенциал почвенной воды (фв), или гравитационное давление, возникающий в почве под влиянием сил земного тяготения, пропорционален работе вертикального перемещения воды (dAJ и опять-таки обратно пропорционален изменению объема воды

Все перечисленные потенциалы могут быть оценены теми или иными методами, разработанными в физике почв, однако их непосредственное измерение встречает существенные трудности. С целью преодоления экспериментальных трудностей введено понятие о потенциале тензиометрического давления (ф„). который можно непосредственно измерять с помощью тензиометров или иным методом (криоскопическим, психрометрическим, гигроскопическим) .

Потенциал тензиометрического давления (срр), 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, зависит от геометрии жидкой фазы (кривизны менисковых поверхностей), давления в газовой фазе, геометрии твердой фазы (ее удельной поверхности) или матрицы, содержания воды в почве. Этот потенциал можно выразить в единицах экспериментально измеренного тензиометрического давления жидкой фазы почвы

Потенциал тензометрического давления является суммарной величиной и включает в себя два потенциала: пневматический и капиллярно-сорбционный (ф(. = ф»(. + ф»‘;).

Пневматический потенциал почвенной воды (ф»р) — это приращение потенциала давления (ф.) в результате избытка давления (АРа) в газовой фазе относительно стандартного газового давления Р0.

Капиллярно-сорбционный потенциал почвенной воды или матричный потенциал (связанный с геометрией почвенной матрицы),—потенциал давления (ф.) в почвенном образце при данной влажности W и данном механическом давлении ограничивающей его поверхности (Р) при стандартном газовом давлении Р0, т. е. при АРа = 0. Для набухающих почв капиллярно-сорб- ционный потенциал включает в себя потенциал давления ограничивающей поверхности (qfj — приращение потенциала давления (ф.) в результате механического давления поверхности на почвенный образец — и потенциал влажности (ф.) — потенциал давления ftp ) в почвенном образце с данной влажностью W при Р = 0 и Р = 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.

Чем меньше воды в почве, тем сильнее она удерживается твердой фазой, тем ниже ее потенциал (больше абсолютное значение отрицательного давления воды). Кривые водоудерживания показывают очень быстрый рост водного потенциала от крайне низких отрицательных значений давления вплоть до нуля в полностью насыщенной водой почве.

Наименьший полный потенциал почвенной влаги (наибольшее абсолютное значение отрицательного давления порядка (2 ч- 5)»108 Па) отмечается для монобимолекулярных слоев адсорбированной воды (прочно связанная вода, «нерастворяю- щий объем» — часть гигроскопической воды). При давлении почвенной воды ниже — 2 • 107 Па, согласно И. И. Судницыну, вода в почве практически полностью представлена двойным электрическим слоем мономолекулярной, биомолекулярной толщины, описываемым теорией Гельмгольца, а количество адсорбированной воды определяется удельной поверхностью почвенных частиц при весьма слабой роли обменных катионов.

В диапазоне полного давления почвенной влаги от — 4«10бч- -К—105) до —20 • 107 Па весьма резко проявляется влияние обменных катионов на его зависимость от влажности почвы. При этом поведение системы описывается уравнением Больцма- на для концентрации катионов в растворе на различных расстояниях от отрицательно заряженной поверхности твердой фазы в зависимости от влажности. В этих условиях почвенная вода является вместилищем диффузного слоя обменных катионов.

При давлениях выше — 2 • I ()'(— I ()’) Па кривые водоудерживания начинают выполаживаться, отклоняются в сторону большей влажности. По мнению И. И. Судницына, это вызвано тем, что при этих значениях полного давления вода уже находится за пределами диффузного слоя обменных катионов в электронейтральном «свободном» объеме почвенного раствора, давление которого в основном определяется суммой осмотического и капиллярного потенциалов.

При дальнейшем росте влажности почвы все большую роль играет капиллярный потенциал (фк). И. И. Судницын рассчитал по формуле Жюрена зависимость капиллярного давления воды от диаметра капилляров

Приведенные расчеты показывают, что с увеличением диаметра почвенных пор находящаяся в них вода теряет капиллярное давление и все больше испытывает воздействие гравитационных сил.

Таким образом, 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.

Кривые водоудерживания почв обычно имеют четко выраженную гистерезисную петлю, т. е. имеют несколько различную форму при иссушении и увлажнении одной и той же почвы, что может быть, в частности, связано с различием в последовательности заполнения пор разного размера водой при увлажнении почвы и их освобождения от воды при иссушении: заполняются вначале мелкие поры, а освобождаются от воды первыми крупные.

Невыровненность потенциалов почвенной воды в разных точках является непосредственной причиной движения воды в почвах: вода перемещается в сторону наиболее низкого потенциала, в общем случае из более влажных участков в более сухие. Однако вследствие наличия сопротивления среды движению воды движущей силой перемещения почвенной воды служит не разность потенциалов (давлений) воды между двумя точками АР, а градиент АР/А/ вдоль направления движения, что было установлено еще в середине прошлого века в известном законе Дарси для плотности установившегося водного потока в пористой среде.

Существует определенная связь почвенно-гидрологических констант с давлением почвенной воды. Например, наименьшей влагоемкости почвы соответствует давление от —104 до —Зх х104 Па, а влажности завядания от —6 • 105 до —2,5 * 106 Па. С изменениями давления почвенной воды в зависимости от влажности меняется и коэффициент влагопроводности почв К в уравнении потока воды в почве (г— — КАР/А/); при изменении влажности почвы от наименьшей влагоемкости до влажности завядания К уменьшается на два порядка (сухая почва обладает худшей влагопроводностью, чем влажная).

Установлены эмпирические зависимости водопотребления растений от давления воды в почве, но они весьма сложные и подвержены воздействию множества самых разнообразных факторов, действующих в системе почва — растение — атмосфера. Однако моделирование процессов водопотребления с использованием термодинамической концепции поведения воды в почве представляется весьма перспективным и может быть использовано для управления водным режимом почв.

Источник

Водный потенциал почвы это

Чтобы понять, как осуществляется поддержание водного режима растений, необходимо разобраться в таких процессах, как осмос и диффузия, которые рассмотрены в нашей статье. Там подчеркнуто, что осмос можно считать типом диффузии, при которой диффундируют только молекулы воды, а молекулы всех остальных веществ не проходят через полупроницаемую мембрану. Молекулы воды перемещаются через полупроницаемую мембрану из области с высокой их концентрацией (т. е. из относительно разбавленного раствора) туда, где она ниже (т. е. в более концентрированный раствор).

В 1988 г. Институт биологии рекомендовал пользоваться термином водный потенциал при описании движения воды через мембраны. Водный потенциал растительных клеток определяется двумя главными факторами — концентрацией растворенных веществ и давлением, возникающим при набухании клетки в результате поступления в нее воды. Соответственно говорят о концентрационном, или осмотическом, и гидростатическом потенциалах. Эти термины объясняются ниже.

Водный потенциал

Водный потенциал — один из фундаментальных показателей термодинамического состояния воды. Ее молекулы обладают кинетической энергией, поскольку и в жидкости, и в газе (водяном паре) быстро и беспорядочно движутся. Чем выше концентрация этих молекул в системе, тем больше их общая кинетическая энергия и выше водный потенциал. Таким образом, у чистой воды он максимален. Если две системы, содержащие воду (например, почва и атмосфера или клетка и окружающий ее раствор), вступают в контакт, то беспорядочное движение ее молекул приведет к их результирующему движению туда, где их меньше, — из области с более высоким водным потенциалом (с более высокой энергией) туда, где он ниже (ниже энергия), пока их концентрации в обеих системах не уравновесятся.

В биологии водный потенциал обычно измеряют единицами давления (например, Паскалями)1. У чистой воды он максимален, но условно принят за нулевой.

Запомните следующие главные моменты:
1) водный потенциал чистой воды максимален и, по определению, равен нулю (в «стандартных» условиях, т. е. при нормальном атмосферном давлении и 25 °С);
2) вода всегда движется по градиенту у: оттуда, где он выше, туда, где он ниже;
3) у всех растворов водный потенциал ниже, чем у чистой воды, т. е. в стандартных условиях выражается отрицательной величиной;
4) осмос можно определить как движение молекул воды через полупроницаемую мембрану по градиенту водного потенциала.

Преимущество использования понятия «водный потенциал»

Водный потенциал отражает тенденцию молекул воды двигаться в определенном направлении. Чем он выше (чем менее отрицателен), тем больше у молекул шансов покинуть данную систему. Если две системы (не обязательно разделенные мембраной) контактируют друг с другом, то вода будет переходить из системы с более высоким водным потенциалом в систему с более низким водным потенциалом.

Таким образом, понятие «водный потенциал» позволяет определить направление движения воды между любыми двумя системами — не только из одной клетки растения в другую, но, например, из почвы в корень, из листа в атмосферу и т. п. Можно сказать, что вода движется через растение по градиенту водного потенциала из почвы в воздух. Чем круче этот градиент, тем быстрее поток воды.

Источник

Потенциал воды в почве

А. Полный потенциал , Ψ t воды в п. при температуре Т 0 — полезная работа на единицу массы чистой воды в дж/кг, которая должна быть затрачена посредством приложенных извне сил для того, чтобы перенести обратимо и изотермически бесконечно малое количество воды из стандартного состояния S 0 в жидкую фазу п. в заданной точке.

За стандартное состояние S 0 принят резервуар с чистой (т. с. не подверженной влиянию растворенных солей) водой, или, другими словами, водой, осмотическое давление π которой равно нулю, свободной (т. е. не подверженной влиянию твердой фазы п.) водой при температуре Т 0 , высоте h 0 и давлении Р 0 .

Указанный выше процесс переноса удобно разделить на несколько ступеней, каждая из которых представляет собой промежуточное стандартное состояние: S 1 — резервуар с чистой, свободной водой, как и в стандартном состоянии S 0 , но расположенный на той же высоте, что и рассматриваемая жидкая фаза n.,h x , т. е. S 1 находится при Т 0 , h x , P 0. S 2 — резервуар со свободным почвенным раствором (тождественным по составу с жидкой фазой п. в рассматриваемой точке), имеющим, таким образом, осмотическое давление π, а в остальном тождественным S 1 т. е. S. 2 находится при Т 0 , h x , Р 0 .

Рассмотрение переноса воды из стандартного состояния S 0 через промежуточные состояния S 1 и S 2 в жидкую фазу п. приводит к определениям следующих составляющих полного потенциала воды или частных потенциалов воды.

Б. 1. Гравитационный потеициал Ψ g , воды в п. при температуре Т 0 — полезная работа на единицу массы чистой воды в дж/кг, которая должна быть затрачена для того, чтобы перенести обратимо и изотермически бесконечно малое количество воды из стандартного состояния S 0 в промежуточное стандартное состояние S 1 . Этот потенциал можно выразить в единицах разности высот между S 0 и S 1 , Δ h = h x — h 0 согласно Ψ g = gΔh, где g — величина гравитационной силы на единицу массы.

2. Осмотический потенциал , Ψ 0 , воды в п. при температуре Т 0 — полезная работа на единицу массы чистой воды в дж/кг, которая должна быть затрачена для того, чтобы перенести обратимо и изотермически бесконечно малое количество воды из промежуточного стандартного состояния S 1 в промежуточное стандартное состояние S 2 . Этот потенциал можно выразить в единицах экспериментально измеряемого осмотического давления, согласно
где — парциальный удельный объем воды в почвенном растворе.

3. Потенциал тензиометрического давления Ψ р воды или, для краткости, потенциал давления воды (in situ) — полезная работа на единицу массы чистой воды в дж/кг, которая должна быть затрачена для того, чтобы перенести обратимо и изотермически бесконечно малое количество воды из промежуточного стандартного состояния S 2 в жидкую фазу п. в заданной точке. Этот потенциал можно выразить в единицах экспериментально измеряемого (in situ) тензиометрического давления жидкой фазы п.,

P, согласно .

Соответственно полный потенциал воды можно найти из соотношения

Если два первых составляющих потенциала воды в почве определяются только высотой и осмотическим давлением в почвенном растворе, то потенциал давления Ψ p , связанный с геометрией (кривизной поверхности) жидкой фазы, зависит от давления в газовой фазе, от геометрии твердой фазы п. (или матрицы), поскольку она влияет на геометрию жидкой фазы; от содержания воды в п., поскольку оно тоже влияет на геометрию жидкой фазы, а в набухающих п. и на геометрию твердой фазы п. Последняя в свою очередь находится под влиянием механического давления окружающей заданный объем п. массы п. или ограничивающей почвенный образец поверхности. Таким образом можно ввести два подкомпонента потенциала давления.

В. 1. Пневматический потенциал, — приращение потенциала давления Ψ р в результате избытка давления в газовой фазе относительно стандартного газового давления Р 0, т.е. .

2. Капиллярно-сорбционный (или матричный) потенциал , — потенциал давления в почвенном образце при данной влажности w и данном механическом давлении ограничивающей его поверхности Р e , при стандартном газовом давлении Р 0 , т. е. при . Так как в набухающих п. капиллярно-сорбционный потенциал || зависит как от влажности почвенного образца w, так и от механического давления ограничивающей его поверхности Р е , то для этих почв можно определить:

а) потенциал “давления ограничивающей поверхности” (или потенциал нагрузки) || — приращение потенциала давления в результате механического давления на почвенный образец с данной влажностью w ограничивающей его поверхности при .

б) потенциал влажности — потенциал давления в почвенном образце с данной влажностью w при отсутствии механического давления ограничивающей образец поверхности и стандартном газовом давлении Р 0 , т. е. при Р 0 = ΔΠ = 0.

Толковый словарь по почвоведению. — М.: Наука . Под редакцией А.А. Роде . 1975 .

Источник