Почвоведение Том 1 - Белицина Г.Д.
ISBN 5-06-001159-3
Скачать (прямая ссылка):
которое измеряется в паскалях [Па=кг/с2 • м].
144
Полный, или термодинамический, потенциал почвенной воды равен сумме частных потенциалов, связанных с разными силовыми полями:
=Фа +Ф,+Ф0+Ф8=Ф,+Ф0+Ф8=ёо^2 dz+ Vh2o [0SfdP+„УdP] ,
где фа — адсорбционный потенциал; фк —капиллярный потенциал; фо — осмотический потенциал; фг — гравитационный потенциал; фр—потенциал тензометрического давления; z—вертикальное расстояние; g — сила гравитации на единицу массы воды; Vmo— парциальный удельный объем воды в почвенном растворе; Р — давление воды; л — осмотическое давление.
Адсорбционный потенциал почвенной воды (фа), или адсорбционное давление (расклинивающее давление, по Б. В. Дерягину), возникает в процессе взаимодействия молекул воды с поверхностью твердой фазы почвы, в результате которого вода сорбируется твердыми почвенными частицами в виде тонкой пленки. Возникающий при этом потенциал прямо пропорционален работе десорбции воды (dAa) и обратно пропорционален поверхности твердой фазы (S) и толщине адсорбированного слоя (dh):
-ф=dA /Sdh = dA /dV. (18)
Капиллярный потенциал почвенной воды (фк). или ее капиллярное давление, возникает на поверхности раздела между твердой, жидкой и газовой фазами почвы в тонких капиллярах; он пропорционален работе по «отсасыванию» капиллярной воды (dAk) и обратно пропорционален изменению ее объема (dV):
-ф k=dA/dV. (19)
Осмотический потенциал почвенной воды (ф0), или ее осмотическое давление, возникающий вследствие наличия в воде растворенных веществ, пропорционален работе (dA) по удалению воды из раствора (например, через полупроницаемую мембрану, при помощи электродиализа) и обратно пропорционален изменению ее объема (dV):
-ф0=dA/dV.. (20)
Гравитационный потенциал почвенной воды (фё), или гравитационное давление, возникающий в почве под влиянием сил земного тяготения, пропорционален работе вертикального перемещения воды (dAg) и опять-таки обратно пропорционален изменению объема воды (dV):
—фg=dA/dV. (21)
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 (фр), который
145
можно непосредственно измерять с помощью тензиометров или иным методом (криоскопическим, психрометрическим, гигроскопическим) .
Потенциал тензиометрического давления (фр), 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 (Р) согласно уравнению
-ф^У^. (22)
Потенциал тензометрического давления является суммарной величиной и включает в себя два потенциала: пневматический и капиллярно-сорбционный (фр = ф°р + ф^).
Пневматический потенциал почвенной воды (ф°р) — это приращение потенциала давления (фр) в результате избытка давления (ЛРа) в газовой фазе относительно стандартного газового давления Р0.
Капиллярно-сорбционный потенциал почвенной воды (фтр), или матричный потенциал (связанный с геометрией почвенной матрицы),—потенциал давления (фр) в почвенном образце при данной влажности W и данном механическом давлении ограничивающей его поверхности (Р) при стандартном газовом давлении Р0, т. е. при ЛРа = 0. Для набухающих почв капиллярно-сорбционный потенциал включает в себя потенциал давления ограничивающей поверхности (ф‘) — приращение потенциала давления (фр) в результате механического давления поверхности на почвенный образец — и потенциал влажности (фр) — потенциал давления (ф) в почвенном образце с данной влажностью W при Р = 0 и Р0 = 0.
е 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. Кривая водоудерживания ф = f(W) считается основной гидрофизической характеристикой почвы (рис. 25). Часто эту кривую берут в форме h = f(0) или pF = f(0), где h — сосущая сила почвы (см. ниже); рF — десятичный логарифм h;
0 — объемная влажность почвы.
Чем меньше воды в почве, тем сильнее она удерживается твердой фазой, тем ниже ее потенциал (больше абсолютное
146
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 - 5)^108 Па) отмечается для монобимолекуляр-ных слоев адсорбированной воды (прочно связан -ная вода, «нерастворяющий объем» — часть гигроскопической воды). При давлении поч7венной воды ниже — 2 • 107 Па, согласно И. И. Судницыну, вода в почве практически полностью представлена двойным электрическим слоем мономолекулярной, био-молекулярной толщины, описываемым теорией Гельмгольца, а количество адсорбированной воды определяется удельной поверхностью почвенных частиц при весьма слабой роли обменных катионов.
