ƒвижение воды в почве (26869-1)

ѕосмотреть архив целиком

ƒвижение воды в почве


 аждый из нас наблюдал, как вода впитываетс€ в почву.  азалось бы, все просто: осадки выпадают на поверхность, и вода заполн€ет имеющиес€ в почве пустоты. Ќо в верхнем слое почва способна удержать своими капилл€рными силами лишь некоторую часть влаги. Ёто количество воды называют наименьшей влагоемкостью. ¬се, что свыше, под действием гравитационных сил стекает в нижележащий слой.  огда и он наполнитс€ свыше влагоемкости, избыток воды перетечет в следующий слой. » так до тех пор, пока вода не впитаетс€ в достаточно сухой слой почвы, влажность которого окажетс€ ниже его наименьшей влагоемкости, или избыток воды поступит в грунтовые воды, наход€щиес€ в нижней части почвенного профил€. ѕолучаетс€, что каждый почвенный слой подобен некоторой емкости, котора€ заполн€етс€ водой, а количество влаги, превышающее эту емкость, перетекает в нижнюю. » так все ниже и ниже, почти как в Ѕахчисарайском фонтане.

Ќа основании представлени€ о последовательном насыщении слоев влагой сформировалс€ так называемый балансовый метод расчета движени€ воды в почве. ќднако расчеты, сделанные с его помощью, неизменно занижали глубину, на которую проникали вода и растворенные в ней вещества, по сравнению с тем, что наблюдалось в действительности [1, 2]. “ак, распространенный в ≈вропе пестицид атразин не должен был попадать даже в глубь корнеобитаемого сло€ (20-25†см), а на самом деле в 1989 г. в Ѕаварии 250 колодцев было загр€знено этим сильно токсичным веществом [3]. “о же самое нередко происходило с нефтью и нефтепродуктами.

ѕоскольку практические запросы требовали точного знани€ движени€ воды в почве, необходимо было сформулировать физическую основу процесса, описать его математически и построить прогнозную модель, с помощью которой можно было бы проводить расчеты, необходимые дл€ предотвращени€ природных ситуаций такого рода.

ќсобенности миграции воды

ѕри описании процессов движени€ воды и растворенных веществ в почве обычно полагают, что почва - это капилл€рно-пористое тело, подобное керамическому изделию. ¬ода в почве должна перемещатьс€ равномерно и постепенно, т.е. при достижении насыщени€ будет двигатьс€ от сло€ к слою по всем капилл€рам. “ак ли это на самом деле?

ѕроделаем такой эксперимент. Ќа поверхность предварительно насыщенной влагой почвы установим металлическую квадратную раму со стороной в 50†см, открытую сверху и снизу. —тенки квадрата будут предохран€ть вещество от растекани€ по поверхности почвы. «альем в раму слабый раствор водорастворимого крахмала, который движетс€ в почве так же, как и чиста€ вода. ѕосле того как раствор впитаетс€, последовательно выкопаем горизонтальные почвенные срезы-УплощадкиФ под рамой через каждые 5†см и будем обрызгивать эти площадки раствором йода. “ам, где фильтровалс€ крахмал, по€витс€ синее п€тно, которое можно зарисовать или сфотографировать. ”глубл€€сь таким образом, мы обнаружим основные пути фильтрации раствора в почве. Ётот метод исследований был предложен в 1970-х годах известным почвоведом ≈.ј.ƒмитриевым [3].

ѕ€тна окрашивани€ по крахмальной метке на различных глубинах,
показывающие весьма неоднородное распределение влаги в объеме почвы.
—ера€ лесна€ почва ¬ладимирского ќполь€.

–езультаты полевого эксперимента с лизиметрами. —толбики - объемы профильтровавшегос€ раствора (V, мл) и концентрации в нем ионов кали€ и хлора дл€ глубин 30 и 60†см.  онцентраци€ представлена в виде относительной величины - отношени€ содержани€ иона в поровом растворе (—) к его содержанию в исходном растворе (C0), подаваемом на поверхность.

— помощью такого эксперимента была получена картина миграции раствора крахмала в серой лесной почве во ¬ладимирском ќполье, недалеко от г.—уздал€. ¬ этой обычной пахотной почве нет €рко выраженных и различающихс€ по свойствам слоев (почвенно-генетических горизонтов), образовавшихс€ в процессе формировани€, кроме собственно пахотного, глубиной до 25†см. –аствор заметно растекалс€ за границы рамы уже на глубине 15†см, удал€€сь на 50†см и более от ее границ на поверхности. Ќередко уже на глубине 30†см все крахмальные п€тна оказывались вне площади рамы.

»так, результаты опытов показывают, что влага в почве, даже в процессе впитывани€, движетс€ весьма неравномерно. ѕочвенные поры оказываютс€ далеко не простыми цилиндрическими капилл€рами, а образовани€ми сложной формы. „ерез одни вода фильтруетс€ быстро, в другие проникает постепенно, рассасыва€сь из крупных капилл€ров, а в некоторые, тупиковые, вообще не попадает. «начит, чтобы описать такую сложную миграцию влаги, необходимо ввести пон€ти€ о крупных макропорах и трещинах, по которым быстро и неравномерно движетс€ влага и растворенные в ней вещества, и тонких порах, в которых вода движетс€ медленно, долго сохран€€сь.

 роме того, необходимо пон€ть, что же происходит при движении в почве растворенных веществ, которые могут сорбироватьс€ или не сорбироватьс€ ее твердой фазой? ƒостаточно ли адекватны наши традиционные представлени€ о сорбции и десорбции ионов естественным процессам сохранени€ и передвижени€ растворенных веществ в почве?

Ћизиметрический эксперимент

ѕроделаем эксперимент, в целом похожий на предыдущий. Ќа поверхность почвы поместим раму, только зальем в нее не раствор крахмала, а слабый раствор хлористого кали€ и попытаемс€ УпойматьФ ионы кали€ и хлора на глубинах 30 и 60†см с помощью специальных поддонов, в дне которых имеютс€ отдельные €чейки дл€ сбора воды, - так называемых лизиметров. ѕосле этого поддоны вытащим из почвы и определим количество в них раствора и концентрации  + и —lЦ в каждой из €чеек. Ётот опыт мы проводили в ѕодмосковье на дерново-подзолистых почвах.

„то же наблюдалось в €чейках лизиметра? ѕрежде всего некоторые оказались пусты, в них раствор вообще не поступил, а его количество в других очень сильно варьировало. Ёто не было неожиданностью, так как из предыдущего опыта мы вы€снили, что почвенна€ влага проникает по провод€щим каналам. »он хлора обнаруживалс€ в растворах в той же концентрации, что в растворе, вводимом в почву, что тоже вполне пон€тно: почвенные минеральные частицы несут, как правило, отрицательный зар€д на поверхности, и анионы не сорбируютс€ (или сорбируютс€ слабо) их поверхностью. ќднако и концентраци€ катиона  + в растворах на глубинах 30 и 60†см оказалась равна его содержанию в растворе на поверхности почвы, т.е. никакой сорбции этого иона не происходило, хот€ она должна быть весьма интенсивной.

«десь мы столкнулись со специфическим почвенным €влением: быстрым передвижением ионов по крупным почвенным каналам - макропорам и трещинам. ¬ этом процессе почвенные частицы не захватывали ионы кали€, и их концентраци€ оставалась неизменной. ѕри такого рода переносе почва не про€вл€ет своих сорбционных свойств, закономерно приписываемых ей как дисперсному телу, и поэтому традиционные физико-химические подходы дают ошибки, нередко значительные.

ќни могут иметь крайне непри€тные последстви€, если, например, дело касаетс€ прогноза распространени€ токсичных загр€зн€ющих веществ. »менно из-за быстрого переноса радионуклиды, пестициды и другие соединени€ попадают на значительно боШльшие глубины, чем по расчетам балансовым способом.

“ак возникла необходимость научитьс€ оценивать величину провод€щего порового пространства почвы (макропор и трещин), по которому вода движетс€ быстро, а вещества практически не сорбируютс€ поверхностью почвенных частиц.

ѕодходы к оценке порового пространства почв

ћакропоры - стабильные образовани€, через которые влага движетс€, как по крупным капилл€рам, трещины же - образовани€ динамические - по€вл€ютс€ в тот момент, когда почва иссушаетс€, а пространство между всегда существующими в почве агрегатами (комочками) увеличиваетс€ за счет усадки.

ѕочвенный разрез с отдельной трещиной.†
ћасштаб почвенного бура - 10†см.
«десь и далее фото ј. . √убера


 рупна€ трещина, по поверхности которой
видны темные потеки органического вещества.


 рупна€ почвенна€ пора, заполненна€ карбонатом кальци€.

ѕочвенные трещины не измеришь микрометром или штангенциркулем, они незаметны, извилисты, то по€вл€ютс€, то исчезают. Ќе сделаешь и слепок трещин: они так тонки, что залить в них гипсовый раствор не удаетс€. Ќо поскольку трещины возникают между почвенными комочками - агрегатами, можно попытатьс€ вычленить последние, и по разнице между общим объемом почвы и объемом этих отдельных стабильных почвенных образований определить объем трещин.

«десь, видимо, уместно сказать несколько слов о почвенных агрегатах, удивительном создании природы. »менно благодар€ им почва обладает способностью сохран€ть питательные вещества и воду дл€ растений, создает УжилищаФ дл€ почвенной биоты. Ѕолее того, структурна€ (по определению Ќ.ј. ачинского), а значит, агрегированна€ почва - основной источник биоразнообрази€. —ами почвенные агрегаты устроены достаточно сложно и в свою очередь состо€т из более мелких частиц и микроагрегатов, скрепленных разнообразными почвенными Укле€миФ, главную роль среди которых играет почвенный гумус.

ѕоровое пространство почвы и структура агрегата. ѕоры, каверны и трещины, едва заметные (на рисунке слева) в кубике влажной почвы, за счет усадки при высыхании увеличиваютс€, а при увлажнении сухой почвы (справа) за счет набухани€ уменьшаютс€. јгрегаты, хот€ и стабильные образовани€, также подвержены усадке и набуханию.


—лучайные файлы

‘айл
129612.rtf
16597-1.rtf
60041.rtf
33072.rtf
2746-1.rtf




„тобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
„тобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Ёто можно сделать совершенно бесплатно. „итайте подробности тут.