Статьи по растениеводческим темам
  • Регистрация
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голоса)

Движение воды в почве

Подвижность воды в почве

Подвижность почвенной влаги способствует, с одной стороны, улучшению водообеспечения растений, а с другой – перемещению воды в зону испарения, что увеличивает её потери. Знание законов движения воды в почве, а тем более управления им является самой главной задачей теоретического и практического земледелия.

 Общие понятия

Поток воды Q, по аналогии с потоком тепла или электрического тока, подчиняется закону

где – градиент потенциала почвенной влаги; – коэффициент водопроводности, равный количеству воды, которое переносится за единицу времени через единицу площади при градиенте потенциала, равного единице.

Можно выделить такие движения воды в почве: «гравитационный» – в наиболее крупных порах почвы; «капиллярный» – в тонких порах; «плёнчатый» – по поверхности частичек твёрдой фазы, на которых вода образует двухмерное тело – плёнку, и «парообразный» – в паровом пространстве, свободном от воды.

Природа видов перемещения воды в почве

Перемещение воды в почве в значительной степени зависит от уровня её увлажнения. И его необходимо рассматривать в зависимости от зон увлажнения почвенной толщи.

Зоны увлажнения. Ниже уровня грунтовых вод расположена зона насыщения, выше – зона аэрации. Слой, который непосредственно прилегает к зеркалу грунтовых вод, называется капиллярной зоной или капиллярной каймой. Влажность и давление влаги в каждой точке капиллярной каймы зависит от высоты над зеркалом грунтовых вод.

Выше верхней границы капиллярной каймы расположена промежуточная зона, которая называется мёртвой зоной, характерной для почв непромывного типа водного режима. Влажность этого горизонта не превышает влажности устойчивого увядания, хотя через этот слой совершается перемещение плёнчатой и парообразной влаги. За промежуточной зоной следует зона подвешенной или почвенной влаги с переменным содержанием воды, – от полного насыщения до воздушно сухой почвы. Здесь выделяют такие уровни содержания влаги: полная влагоёмкость, наименьшая влагоёмкость, влажность разрыва капиллярных связей, влажность устойчивого увядания, максимальная адсорбционная влагоёмкость, максимальная гигроскопичность, воздушная гигроскопичность, химически связанная вода.

Движение воды в насыщенной влагой почве, движущей силой которого есть градиент гидравлического потенциала, описан при рассмотрении вопроса впитывания и фильтрации воды почвой. Рассмотрим природу других видов перемещения воды в почве.

Движение воды в ненасыщенной почве.

Перемещение воды в ненасыщенной почве вызывает большой интерес, так как в природе почва бывает чаще всего именно в таком состоянии.

Природу этого явления можно объяснить следующим образом. Вся влага, которая находится в почве, в том числе и наиболее прочно связанная кристаллизационная вода, находится в состоянии теплового хаотического движения. В случае динамического равновесия отдельные молекулы и группы молекул с равной вероятностью во всех направлениях, а поэтому содержание влаги в разных точках остаётся практически постоянным. Если же на почвенную влагу начинают действовать какие-нибудь неуравновешенные силы, вероятность движения в каком-то направлении возрастает, и на хаотически тепловое движение накладывается движение направленное. Силы, которые могут нарушить динамическое равновесие почвенной влаги и вызывать направленный поток, условно подразделяют на внутренние и внешние.

К внутренним относятся все силы взаимодействия между твёрдой фазой почвы, которые придают почве способность притягивать и удерживать воду. Если в каких-то двух точках почвы эти силы разные за величиной, то влага в процессе молекулярного движения неизбежно будет передвигаться с точки, где силы удерживания влаги меньше, в точку, где они больше. Природа этих сил достаточно сложная. К этой группе сил должны быть отнесены силы адсорбции, которые делают возможным образовывать плёнки прочно связанной влаги на поверхности твёрдой фазы; силы менисковые, которые обеспечивают заполнение водой капиллярные обеспечивают заполнение водой капиллярных пор почвы, силы осмотические, которые возникают при наличии в почвенной воде растворимых веществ. Адсорбционные и менисковые силы можно объединить под названием поверхностных сил.

Главная сложность математического описания этого явления заключается в том, что коэффициент К, который характеризует влагопроводность почвы, является функцией последней, так как жидкая влага может перемещаться только через ту часть порового пространства, которая занята влагой. При этом, очевидно, в разных микрообластях этого пространства, хотя они и заполнены влагой, проводимость разная.

Сначала допускали, что проводимость прямо пропорциональна содержанию влаги. Однако дальнейшие исследования показали, что это не так, и что влагопроводность снижается в общем быстрее, чем влажность. Главной причиной этого есть уменьшение площади поперечного сечения пор, занятых водой, поскольку влага двигается только через ту часть порового пространства, которая ею занята. Кроме того, с уменьшением влажности в первую очередь от неё освобождаются больше поры, которые имеют наименьшее сопротивление для воды, которая двигается, вследствие чего водопроводность уменьшается пропорционально уменьшения квадрата диаметра пор. И, наконец, с уменьшением влажности, увеличивается количество скоплений воды, изолированных от общей трёхмерной водной сети (твёрдая, жидкая, газоподобная), которые не принимают участие в фильтрации.

К внешним силам принадлежат гравитационный и гидравлический напор. Резкое замедление движения влаги вскоре после окончания впитывания и выразительность фронта смачивания обусловлены следующим. В момент окончания впитывания в почве остаётся некоторое количество свободной гравитационной воды. Это количество теоретически равно разнице между полной и наименьшей влагоёмкостью. Это количество свободной гравитационной влаги в связи с тем, что оно небольшое, быстро стекает за пределы фронта смачивания (в том его состоянии, в котором он пребывал в момент окончания впитывания) в более сухой нижний слой почвы. В последнем упомянутое количество влаги сразу переходит в связанное состояние, насыщая почву до влажности, равной НВ или близкой к ней, и стаёт почти неподвижной. После этого может происходить только медленное рассасывание влаги в сухой слой, который лежит ниже. Вследствие этого фронт смачивания сохраняет присущую ему резкость, а движение влаги почти приостанавливается. Последнему способствует возникновение испарения после окончания поглощения, которое быстро снижает (алгебраично) всасывающее давление в поверхностном слое почвы и этим самым вызывает восходящее перемещение влаги, тормозит стекание. В её эти явления выражены тем резче, чем меньше влажность ниже расположенного слоя почвы.

В ненасыщенной влагой почве вода может передвигаться не только вниз, но и в любом направлении. Передвижение происходит в направлении снижения потенциала, а скорость потока пропорциональна градиенту потенциала и зависит от геометрии порового пространства, в котором происходит перемещение воды. Разница двух этих механизмов движения воды в почве состоит в том, что в насыщенной почве движущей силой есть градиент положительного потенциала, в то время как в случае движения в ненасыщенной почве. Это градиент отрицательного потенциала или эквивалентного ему всасывание. Капиллярно-сорбционный потенциал воды, или эквивалентное ему, но с противоположным знаком капиллярно-сорбционное (матричное) всасывание, обусловлено взаимодействием воды с поверхностью почвенных частичек и капиллярными силами. Вода стремится перемещаться с мест, где толщина плёнок, которые покрывают частички почвы, толще и кривизна менисков меньшая, в места, где толщина плёнок меньшая, а крутизна менисков большая.

Кроме того, в ненасыщенных почвах появляется новый дополнительный механизм переноса воды в виде пара. Он становится преобладающим в поверхностных слоях, где почва, иссушена и попадает под сильные температурные градиенты.

Наиболее существенная разница между движением вод в насыщенных и ненасыщенных почвах в гидравлической проводимости. В насыщенных почвах все поры заполнены водой, так что неразрывность и, отсюда проводимость в них максимальная. С уменьшением влажности часть пор освобождается от воды и заполняется воздухом, поэтому доля проводящих пор в площади поперечного сечения почвы сокращается. При удалении воды прежде всего освобождаются большие поры, которые имеют наибольшую проводимость, а вода, которая остаётся, течёт в более мелких порах. С потерей воды возрастает извилистость путей её движения.

К числу внешних сил принадлежат силы земного притяжения, силы механического давления, которые передаются через твёрдую, жидкую и газообразную фазы, а так же силы, вызванные наличием температурных, электромагнитных и других полей. Все эти силы вместе взятые образуют определённую результирующую силу, которая действует на воду в конкретной точке.

Подъём воды по капиллярам.

Наибольшее по количеству и скорости перемещения влаги в почве происходит за счёт капиллярного механизма. Высота капиллярного поднятия воды зависит от исходной влажности, гранулометрического состава, структуры почвы, количества и характера солей в грунтовых водах и почве, а также от температуры. Она тем большая, чем выше дисперсность почвы и ниже температура, так как поверхностное натяжение, которое определяет величину менисковых сил, с повышением температуры падает.

Высота и скорость поднятия воды по капиллярам зависит от их диаметра. В больших капиллярах вода поднимается быстрее, но на меньшую высоту, а в мелких – наоборот. Это объясняется тем, что в мелких капиллярах возрастает трение воды о его стенки.

Перемещение воды при наименьшей влагоёмкости и более низком увлажнении почвы.

При наименьшей влагоёмкости находится капиллярно-подвешенная вода. На первый взгляд такая вода должна какое-то время находится в неподвижном состоянии, так как водоудерживающие силы (сорбционные, менисковые) приходят в равновесие с гравитационными. Но в действительности это не так, так как в почве возникают градиенты (перепады) физических и других условий под влиянием которых вода движется в том или ином направлении. Перемещение воды в почвах и породах может происходить под влиянием самых разнообразных физических факторов: 1) градиента плотности; 2) градиента влажности; 3) градиента температуры; 4) градиента плотности паров.

Градиент плотности. Вода с рыхлой почвы при всех других равных условиях движется в сторону большей плотности, то есть с области с большими порами в слой с менисками, которые имеют меньший радиус кривизны. В агрономической практике это явление используют путём прикатывания посевов, что бы подтянуть влагу к семенам.

Градиент влажности. Влага движется с влажной почвы в сухую под влиянием тех же сил, что и при градиенте плотности. Это явление часто наблюдается в природных условиях: при рассасывании влаги в почве после дождя, при распределении влаги после поливов. Перемещение влаги с участков с высокой влажностью к сухим имеет решающее значение на высушивание почвы путём испарения, а так же в водообеспечении растений.

Градиент температуры. Важную роль в перемещении почвенной влаги играет разница температур между слоями, которая выражается в град./см. Особенно большие градиенты температур в верхних слоях. В пустынных Районах градиент температуры в слое 0 – 10 см иногда может составлять 5 – 6 град./см. В средней полосе нередко имеют место градиенты в 1 – 2 град./см. В следствии разницы поверхностного натяжения на «горячем» и «холодном» менискам происходит перемещение воды, направленное к холодному концу капилляра. Это перемещение воды в жидком виде называется термокапилярным. В обычных условиях значительного перемещения влаги за счёт градиента температуры не происходит, так как скопление влаги на одном участке вызывает обратное её течение за счёт градиента влажности. Но если на холодном конце будет отрицательная температура, то пришедшая вода будет замерзать, и тогда перераспределение влаги может быть значительным, что можно наблюдать при весенних утренних заморозках или образование переувлажнённой почвы на границе мёрзлого и талого слоёв зимой.

Градиент напряжения водяных паров. В засушливых условиях нередко перемещения влаги в жидком состоянии приостанавливаются. Причиной этого есть почти полное отсутствие воды в свободном жидком состоянии. Тогда движение воды совершается только в парообразном состоянии под влиянием градиента напряжения водных паров. Движение паров воды совершается через диффузию в сторону снижения температуры (меньше напряжение насыщения паров водой).

Летом днём пара перегоняется вниз, а ночью наоборот, к верху. В целом в летние месяцы пара движется вниз, а во второй половине лета и осенью – преобладает восходящий поток. Зимой так же поток пары преимущественно восходящий.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

По темам:

История Украины

Культурология

Высшая математика

Информатика

Охотоведение

Статистика

География

Военная наука

Английский язык

Генетика

Разное

Технологиеские темы

Украинский язык

Филология

Философия

Химия

Экология

Социология

Физическое воспитание

Растениевосдство

Педагогика

История

Психология

Религиоведение

Плодоводство

Экономические темы

Бухгалтерские темы

Маркетинг

Иностранные языки

Ветеринарная медицина

Технические темы

Землеустройство

Медицинские темы

Творчество

Лесное и парковое хозяйство