Физика_жидкой_части

11

В связи с тем, что выпадающие осадки измеряются в мм водного столба, целесообразно запасы влаги в почве выражать в этих же единицах. Вычисление производится по формуле:

(5.8)

где W, мм – запасы влаги, выраженные в мм водн. ст. в слое почвы (h) на площади 1 га; 10 – множитель для перевода см в мм; остальные обозначения те же, что и в предыдущих расчетах.

Запасы воды в исследуемой толще почвы в практике выражают в т/га и

м3/га:

(5.9)

Для вычисления запаса влаги в мм или м3/га в метровой или двухметровой толще почвы производят вычисления по отдельным горизонтам, в которых величины ρv различны, и затем суммируют для общего слоя.

5.4.2. Относительная влажность почвы. Подобно относительной влаж-

ности воздуха, вычисляют относительную влажность почвы.

Относительная влажность – это отношение содержания влаги в данный момент (естественная, полевая влажность) к количеству воды, соответствующей общей (полевой, наименьшей) влагоемкости почвы.

Если в данный момент влажность почвы - Wo %, а общая влагоемкость – Wнв %, то относительная влажность будет определяться по формуле:

(5.10)

Относительная влажность дает представление о степени насыщения почвы водой и позволяет сравнивать влажность почв и отдельных горизонтов, отличающихся по величине влагоемкости. Если взять супесчаную почву с влагоемкостью 10 %, то при влажности в 5 % ее относительная влажность Wотн. составит 50 %. При этом тяжелосуглинистая почва с влагоемкостью 30 % будет иметь такую же степень насыщенности влагой при абсолютной влажности в 15 %. Таким образом, несмотря на резко различную общую влажность, степень насыщенности изучаемых почв влагой оказалась одинаковой.

5.4.3. Расчет запасов продуктивной влаги в слое почвы. Продуктивной влагой называют содержание почвенной влаги, превышающей величину влажности завядания растений.

Только при влажности выше влажности завядания растения могут расти и развиваться. Пусть при определении влажности почвы в поле было установлено, что в слое 0-50 см влажность составила 85 мм водн. ст. Известно также, что влажность завядания в этом слое почвы равняется 45 мм. Тогда запасы продук-

12

тивной влаги в этом слое составляют 40 мм. Продуктивную влагу можно выражать и в процентах.

Диапазон активной (продуктивной) влаги. Наивысшему увлажнению почвы в полевых условиях соответствует общая (Wобщ.) или наименьшая (Wнв.) влагоемкость, нижним пределом доступной или активной влаги является влажность завядания (ВЗР). Разница между названными пределами увлажнения дает диапазон активной влаги в почве

Wдав, % = Wнв – Wвзр (5.11)

Если в вышеприведенной тяжелосуглинистой почве влажность завядания составит 12 %, а общая влагоемкость – 30 %, то диапазон активной влаги Wдав, % = 30 – 12 = 18 %. Величину диапазона активной влаги можно выражать в мм вдн. ст. и в процентах. Он характеризует максимально возможное количество продуктивной влаги в почве.

5.4.4. Оценка запасов продуктивной влаги. В первый период развития растений решающее значение имеют запасы влаги в пахотном слое мощностью 0—20 см, в дальнейшем растения потребляют влагу слоя почвы метровой толщины, а в период засух или при высоких урожаях используют запасы влаги с глубины до двух метров. Оценка запасов продуктивной влаги производится по следующей шкале:

Запасы Wдав в слое 0-20 см			Запасы Wдав в слое 0-100 см
хорошие		40 мм	очень хорошие	> 160 мм
удовлетворительные		20-40 мм	хорошие	160-130 мм
			удовлетворительные	130-90 мм
неудовлетворительные		<20 мм	плохие	90-60 мм
			очень плохие	< 60 мм

5.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ВЛАГИ В ПОЧВЕ

5.5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЕ О КАТЕГОРИЯХ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ

В физике принято выделять 3 агрегатных состояний воды: твердое, жидкое, и газообразное. Для объяснения процессов, протекающих в почве, этих понятий явно недостаточно. Взаимодействуя с различными частями почвы, вода претерпевает ряд химических и физических изменений, без учета которых невозможно понять динамику почвообразовательного процесса, механизм питания микроорганизмов и растений. Поэтому кроме агрегатных состояний воды в физике почв принято выделять 14 категорий почвенной влаги (рис. 1).

13

АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ

ФОРМЫ СВЯЗИ

ДОСТУПНОСТЬ

ДЛЯ РАСТЕНИЙ

1. Твердая

Газообразная

Капельно-

Свободная

1.

недоступная

Связанная

2.

весьма труднодоступная

вода (лед)

(водяной пар)

жидкая

(гравитационная)

3.

труднодоступная

1. Химически

2. Физически

3. Биологически

4.

доступная

связанная

связанная

связанная

5.

легкодоступная

(внутриклеточная)

6.

избыточно доступная

конституционная

кристаллизационная

гигроскопическая

максимальная

гигроскопическая

рыхлосвязанная

капиллярно

связанная

просачивающаяся		поверхностный		внутрипочвенный		грунтовый
		сток		боковой сток		сток

капиллярно-		капиллярно-		дискретная		капиллярно-
подвешенная		подвешенная				посаженная

Рис. 1. Формы и категории почвенной влаги

14

5.5.2. ГИГРОСКОПИЧЕСКАЯ ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ: ПОНЯТИЙ- НО-ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ, ФИЗИЧЕСКАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ

Известно, что содержание гигроскопической и максимальной гигроскопической категорий почвенной влаги зависит, главным образом, от адсорбционной способности почв, т.е. количественных и качественных особенностей почвенно-поглощающего комплекса: гранулометрического состава (содержания илистой и коллоидной фракций), содержания органического вещества, состава поглощенных катионов, наличия или отсутствия легкорастворимых солей и др.

В связи с этим необходимость изучения содержания влаги в почве, особенно гигроскопической, определяется не только ее ролью в почвообразовательных процессах, но и необходимостью выполнения различного рода пересчетов результатов химических, агрохимических, физических и других видов анализов на сухое вещество, для оценки адсорбционной способности почв, степени дисперсности и т.д.

Однако, в настоящее время величины гигроскопической влажности используются в подавляющем большинстве исследований для пересчета результатов анализов на сухое вещество, что, на наш взгляд, существенным образом искажает физическую и генетическую сущность данного параметра.

При этом почвоведы сталкиваются с, казалось бы, неразрешимой проблемой: с одной стороны, теоретические рассуждения подсказывают им, что гигроскопическую влажность следует рассматривать в качестве одной из гидрологических констант, а, с другой, высокая динамичность этого показателя даже в пределах одной почвенной разновидности не позволяет исследователю рассматривать его в качестве константы. И возникает «неразрешимое противоречие», устранить которое можно, рассмотрев физический смысл понятия «Гигроскопическая влажность».

Итак, под гигроскопической влажностью понимают содержание влаги, которое почва поглощает из воздуха и удерживает на поверхности твердых фаз за счет сил адсорбции (Воронин, 1986). Это понятие в той или иной редакции приводится во многих учебниках и руководствах по физическим, химическим и агрохимическим методам исследования почв и грунтов и не вызывает сомнений.

Однако, в этом определении есть одна неточность, которая не позволяет раскрыть истинный физический смысл рассматриваемого понятия и придать показателю статус параметра. Эта неточность связана с представлением о гигроскопичности как явлении.

Гигроскопичность – это способность, в данном случае почв, поглощать парообразную влагу из воздуха. Известны гигроскопические вещества и материалы такие как, легкорастворимые соли, торф, мох и др.

Известно, что гигроскопичность почв определяется, в первую очередь, ее внутренними свойствами: минералогическим и химическим составами, степенью дисперсности, содержанием гумуса, наличием или отсутствием легкорастворимых солей и другими факторами. Однако, в не меньшей степени гигро-

15

скопические свойства почв и грунтов будут определяться и внешними факторами: количеством парообразной влаги, содержащейся в окружающем почву воздухе, упругостью пара, температурой, атмосферным давлением, т.е. термодинамическими условиями системы.

Таким образом, при прочих равных условиях, например, при известном минералогическом, химическом и гранулометрическом составе, известном содержании гумуса и т.д., содержание адсорбированной воды будет определяться внешними по отношению к почве условиями (относительной влажностью воздуха). Это, в свою очередь, и будет влиять на содержание гигроскопической влаги в почве или породе.

Именно это правило используется для определения содержания максимальной гигроскопической влажности, под которой понимают максимальное содержание влаги, поглощаемое почвой из воздуха, насыщенного парами воды, и удерживаемое на поверхности твердых фаз за счет сил адсорбции (Воронин, 1986). В этом определении заданы термодинамические параметры системы: относительная влажность воздуха 95-98 %. Поскольку данный параметр определяется в условиях лаборатории, получаем давление 1 атм (760 мм рт. ст.) и температуру 20º С. При таком подходе мы можем рассматривать данный параметр в качестве гидрологической константы почв и грунтов, которая и будет характеризовать их внутренние свойства.

Таким образом, понятию «Гигроскопическая влажность» следует придать генетический смысл, жестко контролируя термодинамические параметры системы. Мы считаем, что необходимо привести внешние по отношению к почве условия к нормальным (н.у.), т.е. задавая температуру 20º С, давление 1 атм (760 мм рт. ст.) и относительную влажность воздуха 60 %.

При таком подходе определение приобретает следующий вид: гигроскопическая влажность – это количество влаги, выраженное в процентах по отношению к массе сухой навески, которое почва поглощает из воздуха при нормальных условиях (температуре 20º С, давлении 760 мм рт. ст. и относительной влажности воздуха 60 %) и удерживает на поверхности твердых фаз за счет сил адсорбции (И.В. Морозов).

Мы считаем, что только в этом случае появляется возможность рассматривать данный параметр в качестве гидрологической константы, характеризующей генетические свойства отдельных почвенных горизонтов.

В противном случае в ходе эксперимента каждый раз будут получаться различные значения «гигроскопической влажности». Рассмотрим пример (рис. 2).

Представим, что влажность изменяется в диапазоне от нулевой влажности, соответствующей абсолютно сухой почве (W – 0 %), до максимальной гигроскопической влажности. В этом случае, мы можем получить только две жестко контролируемые точки 1 и 6, используя соответствующие методы исследования. В первом случае – метод термостатно-весовой, во втором – метод Митчерлиха или Николаева (Вадюнина, Корчагина, 1986). При этом, на конечный результат не будут влиять условия окружающей среды, при которых почвенные образцы доводили до воздушно-сухого состояния (для анализа используются воздушно-сухие образцы).

16

Т– 105º С,	Т – 20º С,						Т – 20º С,
Р– 760 мм рт ст,	Р – 760 мм рт ст,			W – 60 % W – 70 %		W – 80 % Р – 760 мм рт
W– 0 %	W – 60 %						ст,
							W – 95-98 %
1	2		3		4	5	6
W почвы – 0 %,	W почвы со-						W почвы соот-
т.е. почва абсо-	ответствует						ветствует мак-
лютно сухая	гигроскопиче-						симальной гиг-
	ской влажно-						роскопической
	сти						влажности

ПОЧВА ВОЗДУШНО-СУХАЯ

Рис. 2. Зависимость влажности почвы от термодинамических параметров системы

При определении гигроскопической влажности, не задавая нормальные условия, мы можем получать значения, соответствующие, например, значениям в точках 2, 3, 4 или 5, в зависимости от относительной влажности воздуха. Соответственно, количественные значения гигроскопической влажности будут отличаться высокой динамикой и вариабельностью. На наш взгляд, именно это обстоятельство не позволяло до настоящего времени рассматривать гигроскопическую влажность в качестве почвенно-генетического параметра, гидрологической константы.

Таким образом, гигроскопическая влажность может рассматриваться в качестве почвенно-генетического параметра, т.е. критерия оценки состава и свойств почв, только в том случае, если подготовка образцов к анализу будет проводиться при нормальных условиях.

Если мы принимаем все указанные выше доводы, тогда возникает новая проблема: значения, полученные в этом случае, не могут быть использованы для определения коэффициентов пересчета на сухую навеску почвы. Для подобных перерасчетов необходимо использовать данные, полученные при тех условиях, в которых проводили эксперимент (независимо от того, какие свойства при этом изучали: физические, химические, агрохимические и т.д.).

Например, требуется определить общее содержание гумуса в почве. В этом случае нет необходимости жестко контролировать условия в лаборатории, т.е. помещать образцы в среду с относительной влажностью воздуха 60 %. Влажность воздушно-сухой почвы следует определять обычным способом без внесения поправок. Более того, именно такая процедура определения влажности будет единственно верной, поскольку создание контролируемых условий приведет к ошибкам определения содержания общего гумуса. Эти ошибки неизбежно будут возникать при пересчете результатов на сухую навеску, несмотря на качественно выполненный с химической точки зрения анализ.

В связи с этим, мы предлагаем ввести понятие «Коэффициент гигроскопичности», под которым следует понимать количество парообразной влаги, которое почва поглощает из воздуха. Выражается в процентах по отношению к абсо-

17

лютно сухой навеске. Это, по нашему мнению, позволит снять все имеющиеся противоречия и, тем самым, придать понятию «Гигроскопическая влажность» присущий ему генетический и физический смысл.

5.5.3. ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ ПОДГОТОВКИ ПОЧВЕННЫХ ОБРАЗЦОВ НА ГИГРОСКОПИЧЕСКУЮ ВЛАЖНОСТЬ

Нами проведен анализ методов изучения гигроскопической влажности почв. Все методы, независимо от способов высушивания, можно разделить на два этапа:

1)подготовку почвенных образцов к анализу и 2) способ высушивания.

Вруководствах по изучению состава и свойств почв и грунтов этот этап подробно не рассматривается. Авторы руководств ограничиваются только общими замечаниями, что для анализа берут воздушно-сухие почвенные образцы, предварительно просеянные через сито 1 или 0.25 мм (Аринушкина, 1977; Агрофизические методы…, 1986; Вадюнина, Корчагина, 1986). Мы считаем, что этого недостаточно, поскольку от качества пробоподготовки будет зависеть конечный результат.

Исходя из представлений, описанных в разделе 5.5.2. следует, что в зависимости от того, какой показатель изучается, подготовка образцов может проводиться различными способами.

1. Определение гигроскопической влажности как гидрологической константы (физический параметр). Отобранные в поле влажные образцы почвы выкладывают на бумагу, разминают крупные агрегаты и доводят до воздушносухого состояния в лабораторных условиях (при условии, что лаборатория оснащена устройствами климатического контроля). При отсутствии таковых можно использовать программируемые шкафы-термостаты, с дополнительной функцией регулирования относительной влажности воздуха.

После доведения образцов до воздушно-сухого состояния, проводят отбор растительных остатков, включений и последующее растирание в ступке (любого типа) пестиком с резиновым (каучуковым) наконечником, чтобы предотвратить механическое разрушение ЭПЧ; затем просеивают образец через сито 1 мм. Взвешивают навеску на аналитических весах.

2. Определение коэффициента гигроскопичности для последующего изучения химических и агрохимических свойств. Отобранные в поле влаж-

ные образцы почвы выкладывают на бумагу, разминают крупные агрегаты и доводят до воздушно-сухого состояния в лабораторных условиях (условиях, сложившихся на момент анализа). После завершения этого этапа проводят отбор растительных остатков, включений и последующее растирание с использованием ступки и пестика соответствующего типа, рекомендуемых методическими руководствами. Затем просеивают через требуемое сито 2, 1 или 0.25 мм. Образец взвешиваю на аналитических весах.

Кроме того, необходимо ввести еще дополнительные схемы подготовки почвы к определению коэффициента гигроскопичности для последующего изучения гранулометрического состава почв. Поскольку степень дисперсности влияет на адсорбционную способность почв, а, соответственно, гигроскопиче-

18

скую влажность и коэффициент гигроскопичности, это обстоятельство следует учитывать, вводя поправки в расчеты результатов анализа.

Согласно методике выполнения гранулометрического анализа почвенная суспензия готовится на основе дистиллированной воды, в результате чего происходит осаждение не собственно ЭПЧ, а гидратных комплексов "частица - прочносвязанная вода". В связи с этим для повышения точности и объективности результатов гранулометрического анализа мы предлагаем обращать внимание на коэффициент гигроскопичности. Это связано с тем что, например, в зависимости от различных способов подготовки почвы к анализу, преимущественно химических, в суспензию попадают частицы различной природы. Например, при обработке почвы горячей 6-10 % Н2О2 из суспензии изначально исключаются органические частицы, при использовании 0.1-0.2 н. НCl – карбонатные частицы, а при подготовке почвы с использованием 0.3 М раствора Na3C6H5O7.H2O – частицы, представленные оксидами железа (Fe+3).

Вследствие чего в качестве объекта гранулометрического анализа выступают частицы различной природы. При этом, поскольку неизбежно происходит изменение природы частиц, степени дисперсности образца, его средневзвешенной плотности, необходимо точно определять значение коэффициента гигроскопичности (Морозова, 2005). В этом случае способ подготовки образца к анализу должен быть аналогичным тому, который используется при подготовке образцов к анализу.

5.5.4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИГРОСКОПИЧНОСТИ ПОЧВ

5.5.4.1. Гигроскопическую влажность определяют, главным образом, методом сушки образца почвы при 100°-105° С.

В том случае, если гигроскопическая влажность определяется как гидрологическая константа, подготовку образцов ведут согласно способу № 1.

Подготовка почвы к анализу. Отобранные в поле влажные образцы почвы выкладывают на бумагу, разминают крупные агрегаты и доводят до воздушносухого состояния в лабораторных условиях (при условии, что лаборатория оснащена устройствами климатического контроля). При отсутствии таковых можно использовать программируемые шкафы-термостаты, с дополнительной функцией регулирования относительной влажности воздуха.

Техника анализа. После доведения образцов до воздушно-сухого состояния, проводят отбор растительных остатков и включений. Почву рассыпают тонким слоем на стекло или глянцевую бумагу, разделяют на квадраты, в каждом из которых (или в шахматном порядке), составляют среднюю пробу массой 5- 10 г для суглинистых почв и 10-15 г - для легких. Затем производят подготовку средней пробы растиранием образца в ступке (любого типа) пестиком с резиновым (каучуковым) наконечником, чтобы предотвратить механическое разрушение ЭПЧ; просеивают образец через сито 1 мм. Далее навеску почвы помещают в бюкс и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0.0001 г.

19

Открытый бюкс (крышку помещают под дно бюкса) с почвой помещают в сушильный шкаф и сушат при 100-105° С до постоянной массы. Длительность первой сушки в зависимости от исходной влажности образцов – 3-5 час. Контрольную сушку следует проводить через 1-2 час.

После сушки бюксы вынимают из шкафа, закрывают крышками, затем помещают в эксикатор с СаСl2 на дне, охлаждают в течение 20-30 мин и взвешивают. Расхождения в массе после повторной сушки не более 0,003 г.

Запись производят по форме, приведенной в таблице 2. Разница в массе бюкса с почвой до и после высушивания соответствует количеству гигроскопической влаги, содержащейся в навеске почвы.

Таблица 2.

Форма записи при определении гигроскопической влажности почвы

Масса

Масса бюкса с крышкой

Название

Горизонт,

Номер

Масса

бюкса с

и высушенной почвой

Гигроскопическая

№

Дата

почвы,

глубина

бюкса/

бюкса с

крышкой

Рс, г

влажность

п/п

разрез

отбора

крышка

крышкой

и воздуш-

w, %

образца,

Рп, г

но-сухой

1-е

2-е

отдельной

средняя

м

почвой

взвешивание

взвешивание

пробы

Рв, г

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Вычисление: количество воды во взятой пробе (m1) определяют по разности массы бюкса с воздушно-сухой почвой (графа 7) и массы бюкса с почвой после сушки (графы 8-9). Абсолютно сухую навеску почвы (m2) вычисляют как разницу массы бюкса с почвой после сушки (графы 8-9) и массы пустого бюкса (графа 6).

Влажность почвы выражают в процентах по отношению к массе абсолютно сухой почвы и рассчитывают (с точностью до 0.01 или 0.1 %%) по следующей формуле:

(5.3)

где m1 — масса воды, в г; m2 — масса сухой почвы (высушенной при t=105° С), в г.

или

(5.4)

где Рв – масса бюкса с воздушно-сухой почвой (до сушки), в г; Рс – масса бюкса с почвой после высушивания, в г; Рп – масса пустого бюкса (с крышкой),

в г; Рв – Рс (m1) — масса воды, в г; Рс – Рп (m2) — масса сухой почвы (высушенной при t=105 °С), в г.

20

5.5.4.2. Максимальная гигроскопическая влажность.

Общие представления. По величине максимальной гигроскопической влажности определяют влажность завядания растений. Отношение влаги завядания к максимальной гигроскопической дает «коэффициент завядания», который колеблется в пределах 1.2-2.3. Для растений засушливых районов он меньше, чем для растений, выросших в условиях нормального или избыточного увлажнения. Кроме того, величина его зависит от вида растения: 1.3-1.6 для пшеницы; 1.7-2.3 - для льна, около 2 - для чая и т. д. В среднем, в расчетах преобладает величина 1.5.

Величину максимальной гигроскопической влажности определяют адсорбционным методом, по нерастворяющемуся объему и незамерзающей воде.

Адсорбционный метод определения максимальной гигроскопической влажности впервые предложил Богданов (1889). Образец почвы он помещал в замкнутое пространство над водой, выдерживал его до постоянной массы и затем методом сушки определял содержание воды.

Э. А. Митчерлих предложил вести насыщение почвы парами воды в вакууме над 10 % H2SO4. Н. А. Качинский (1930) усовершенствовал этот метод. Он предложил вместо сушильных стаканчиков диаметром 6-7 см и навески в 30 г (по Митчерлиху) использовать обычные бюксы диаметром 2-3 см и навеску почвы 10-20 г (меньшую в случае тяжелого гранулометрического состава).

А. В. Николаев (1936) заменил серную кислоту насыщенным раствором К2SО4 и предложил насыщать почву не в вакуумах, а в обычных эксикаторах, что значительно упростило методику. Однако следует заметить, что в вакууме насыщение идет быстрее.

Техника анализа. Навеску в 50-100 г воздушно-сухой почвы, предварительно отобрав корни, слегка растирают в ступке пестиком с резиновым наконечником и просеивают через сито с отверстиями в 1 мм, скелетный материал берется в навеску пропорционально его содержанию в почве. Измельченный образец почвы рассыпается на лист бумаги или на стекло и из него обычным способом отбирают среднюю пробу весом 5-10 г для почв гумусных и тяжелого механического состава, 10-15 г для легких суглинков и почв, бедных гумусом, и около 20 г для песчаных почв и песков. Определение проводят с двойным контролем.

Сушильные стаканы ставят в вакуумный или обычный эксикатор, в который наливают - 10 % H2SO4 (плотность кислоты 1.067 устанавливают ареометром) из расчета 2 мл на 1 г почвы. По данным Митчерлиха, в замкнутом пространстве над 10 % H2SO4 обычно устанавливается относительная влажность воздуха в 96-98%.

Вместо серной кислоты можно использовать насыщенный раствор К2SО4 (метод Николаева). Насыщенный раствор готовят следующим образом: 50 г соли растворяют в 1 л дистиллированной воды, насыщенность которого устанавливают по наличию кристаллов соли в растворе.