Движение воды в почве
Движение воды в почве
Каждый из нас наблюдал, как вода впитывается в почву. Казалось бы, все
просто: осадки выпадают на поверхность, и вода заполняет имеющиеся в почве
пустоты. Но в верхнем слое почва способна удержать своими капиллярными силами
лишь некоторую часть влаги. Это количество воды называют наименьшей
влагоемкостью. Все, что свыше, под действием гравитационных сил стекает в
нижележащий слой. Когда и он наполнится свыше влагоемкости, избыток воды
перетечет в следующий слой. И так до тех пор, пока вода не впитается в
достаточно сухой слой почвы, влажность которого окажется ниже его наименьшей
влагоемкости, или избыток воды поступит в грунтовые воды, находящиеся в нижней
части почвенного профиля. Получается, что каждый почвенный слой подобен
некоторой емкости, которая заполняется водой, а количество влаги, превышающее
эту емкость, перетекает в нижнюю. И так все ниже и ниже, почти как в
Бахчисарайском фонтане.
На основании представления о последовательном насыщении
слоев влагой сформировался так называемый балансовый метод расчета движения
воды в почве. Однако 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].
Так, распространенный в Европе пестицид атразин не должен был попадать даже в
глубь корнеобитаемого слоя (20-25 см), а на самом деле в 1989 г. в Баварии
250 колодцев было загрязнено этим сильно токсичным веществом [3]. То
же самое нередко происходило с нефтью и нефтепродуктами.
Поскольку практические запросы требовали точного знания
движения 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 для предотвращения
природных ситуаций такого рода.
Особенности миграции воды
При описании процессов движения воды и растворенных веществ
в почве обычно полагают, что почва - это капиллярно-пористое тело, подобное
керамическому изделию. Вода в почве должна перемещаться равномерно и
постепенно, т.е. при достижении насыщения будет двигаться от слоя к слою по
всем капиллярам. Так ли это на самом деле?
Проделаем такой эксперимент. На поверхность предварительно
насыщенной влагой почвы установим металлическую квадратную раму со стороной в
50 см, открытую сверху и снизу. Стенки квадрата будут предохранять
вещество от растекания по поверхности почвы. Зальем в раму слабый раствор водорастворимого
крахмала, который движется в почве так же, как и чистая вода. После того как
раствор впитается, последовательно выкопаем горизонтальные почвенные
срезы-“площадки” под рамой через каждые 5 см и будем обрызгивать эти
площадки раствором йода. Там, где фильтровался крахмал, появится синее пятно,
которое можно зарисовать или сфотографировать. Углубляясь таким образом, мы
обнаружим основные пути фильтрации раствора в почве. Этот метод исследований
был предложен в 1970-х годах известным почвоведом Е.А.Дмитриевым [3].
Пятна окрашивания по крахмальной метке на различных
глубинах,
показывающие весьма неоднородное распределение влаги в объеме почвы.
Серая лесная почва Владимирского Ополья.
Результаты полевого эксперимента с лизиметрами. Столбики
- объемы профильтровавшегося раствора (V, мл) и концентрации в нем ионов калия
и хлора для глубин 30 и 60 см. Концентрация представлена в виде относительной
величины - отношения содержания иона в поровом растворе (С) к его содержанию в
исходном растворе (C0), подаваемом на поверхность.
С помощью такого эксперимента была получена картина миграции
раствора крахмала в серой лесной почве во Владимирском Ополье, недалеко от
г.Суздаля. В этой обычной пахотной почве нет ярко выраженных и различающихся по
свойствам слоев (почвенно-генетических горизонтов), образовавшихся в процессе
формирования, кроме собственно пахотного, глубиной до 25 см. Раствор заметно
растекался за границы рамы уже на глубине 15 см, удаляясь на 50 см и
более от ее границ на поверхности. Нередко уже на глубине 30 см все
крахмальные пятна оказывались вне площади рамы.
Итак, результаты опытов показывают, что влага в почве, даже
в процессе впитывания, движется весьма неравномерно. Почвенные поры оказываются
далеко не простыми цилиндрическими капиллярами, а образованиями сложной формы.
Через одни вода фильтруется быстро, в другие проникает постепенно, рассасываясь
из крупных капилляров, а в некоторые, тупиковые, вообще не попадает. Значит,
чтобы описать такую сложную миграцию влаги, необходимо ввести понятия о крупных
макропорах и трещинах, по которым быстро и неравномерно движется влага и
растворенные в ней вещества, и тонких порах, в которых вода движется медленно,
долго сохраняясь.
Кроме того, необходимо понять, что же происходит при
движении в почве растворенных веществ, которые могут сорбироваться или не
сорбироваться ее твердой фазой? Достаточно ли адекватны наши традиционные
представления о сорбции и десорбции ионов естественным процессам сохранения и
передвижения растворенных веществ в почве?
Лизиметрический эксперимент
Проделаем эксперимент, в целом похожий на предыдущий. На
поверхность почвы поместим раму, только зальем в нее не раствор крахмала, а
слабый раствор хлористого калия и попытаемся “поймать” ионы калия и хлора на
глубинах 30 и 60 см с помощью специальных поддонов, в дне которых имеются
отдельные ячейки для сбора воды, - так называемых лизиметров. После этого
поддоны вытащим из почвы и определим количество в них раствора и концентрации К+
и Сl– в каждой из ячеек. Этот опыт мы проводили в Подмосковье на
дерново-подзолистых почвах.
Что же наблюдалось в ячейках лизиметра? Прежде всего
некоторые оказались пусты, в них раствор вообще не поступил, а его количество в
других очень сильно варьировало. Это не было неожиданностью, так как из
предыдущего опыта мы выяснили, что почвенная влага проникает по проводящим
каналам. Ион хлора обнаруживался в растворах в той же концентрации, что в
растворе, вводимом в почву, что тоже вполне понятно: почвенные минеральные
частицы несут, как правило, отрицательный заряд на поверхности, и анионы не
сорбируются (или сорбируются слабо) их поверхностью. Однако и концентрация
катиона К+ 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, хотя она должна быть весьма интенсивной.
Здесь мы столкнулись со специфическим почвенным явлением:
быстрым передвижением ионов по крупным почвенным каналам - макропорам и
трещинам. В этом процессе почвенные частицы не захватывали ионы калия, и их
концентрация оставалась неизменной. При такого рода переносе почва не проявляет
своих сорбционных свойств, закономерно приписываемых ей как дисперсному телу, и
поэтому традиционные физико-химические подходы дают ошибки, нередко
значительные.
Они могут иметь крайне неприятные последствия, если,
например, дело касается прогноза распространения токсичных загрязняющих
веществ. Именно из-за быстрого переноса радионуклиды, пестициды и другие
соединения попадают на значительно большие глубины, чем по расчетам балансовым
способом.
Так возникла необходимость научиться оценивать величину
проводящего порового пространства почвы (макропор и трещин), по которому вода
движется быстро, а вещества практически не сорбируются поверхностью почвенных
частиц.
Макропоры - стабильные образования, через которые влага
движется, как по крупным капиллярам, трещины же - образования динамические -
появляются в тот момент, когда почва иссушается, а пространство между всегда
существующими в почве агрегатами (комочками) увеличивается за счет усадки.
|
Почвенный разрез с отдельной трещиной.
Масштаб почвенного бура - 10 см.
Здесь и далее фото А.К. Губера
|
Крупная трещина, по поверхности которой
видны темные потеки органического вещества.
|
|
|
Крупная почвенная пора, заполненная карбонатом кальция.
|
Почвенные трещины не измеришь микрометром или
штангенциркулем, они незаметны, извилисты, то появляются, то исчезают. Не
сделаешь и слепок трещин: они так тонки, что залить в них гипсовый раствор не
удается. Но поскольку трещины возникают между почвенными комочками -
агрегатами, можно попытаться вычленить последние, и по разнице между общим
объемом почвы и объемом этих отдельных стабильных почвенных образований
определить объем трещин.
Здесь, видимо, уместно сказать несколько слов о почвенных
агрегатах, удивительном создании природы. Именно благодаря им почва обладает
способностью сохранять питательные вещества и воду для растений, создает
“жилища” для почвенной биоты. Более того, структурная (по определению
Н.А.Качинского), а значит, агрегированная почва - основной источник
биоразнообразия. Сами почвенные агрегаты устроены достаточно сложно и в свою
очередь состоят из более мелких частиц и микроагрегатов, скрепленных
разнообразными почвенными “клеями”, главную роль среди которых играет почвенный
гумус.
Поровое пространство почвы и структура агрегата. Поры,
каверны и трещины, едва заметные (на рисунке слева) в кубике влажной почвы, за
счет усадки при высыхании увеличиваются, а при увлажнении сухой почвы (справа)
за счет набухания уменьшаются. Агрегаты, хотя и стабильные образования, также
подвержены усадке и набуханию.
Объем агрегата изменяется в зависимости от влажности. Чтобы
установить эту зависимость, мы извлекали эти комочки из почвенного кубика
объемом 125 см3, покрывали их влагопроницаемой пленкой и измеряли
объем агрегатов, опуская их в воду и пользуясь законом Архимеда. Затем агрегаты
подсушивали, взвешивали и снова определяли объем. Проделав опыт несколько раз,
удавалось найти зависимость объема агрегата от влажности. Вычитая из объема
исходного кубика суммарный объем агрегатов, находили объем межагрегатных
трещин.
Итак, в поровом пространстве почвы существует агрегатное
сохраняющее пространство (его функция - запас веществ), а также межагрегатное -
проводящее, - по которому переносятся вещества. В то же время идет обмен между
“сохраняющими” и “проточными” зонами порового пространства почвы.
Процесс же движения влаги и других веществ выглядит
следующим образом. Если на поверхность иссушенной почвы, в незаполненное водой
межагрегатное пространство (наиболее крупные трещины и макропоры) поступила
вода (раствор), она практически мгновенно заполняет трещины, проникая в глубь
почвы. Далее влага перераспределяется между заполненными трещинами и
внутриагрегатным пространством. Агрегаты начинают увеличиваться в объеме за
счет набухания, а трещины постепенно уменьшаются. Так продолжается до
установления равновесия между агрегатной и межагрегатной жидкостью, т.е.
раствор распределяется между “проводящей” и “сохраняющей” частями порового
пространства. Таким образом, почва - не застывшее пористое тело, как, например,
керамическое изделие. Ее поровое пространство - динамичное образование,
проводимость которого зависит от содержания влаги, а пористость постоянно
изменяется за счет набухания и усадки почвенных агрегатов.
Надо сказать, что ненабухающих почв в природе практически не
существует. Даже песчаные почвы с плохо развитой агрегатной структурой
проявляют свойства набухания и усадки. У большинства суглинистых и глинистых
почв это явление выражено весьма заметно, поэтому для них характерны быстрые
потоки по межагрегатному пространству с последующим перераспределением влаги и
веществ по агрегатному пространству. Это и было доказано при изучении
тяжелосуглинистых почв Владимирской области и опесчаненных почв Подмосковья в
приведенных выше примерах.
* * *
Итак, движение влаги - далеко не простой процесс
постепенного заполнения почвенных слоев и перетекания влаги из слоя в слой. В
почве практически всегда представлены быстрые, “сквозные” потоки по макропорам
и трещинам. Именно по этим путям переносятся, практически не сорбируясь,
различные (в том числе и загрязняющие) вещества, попадая в грунтовые воды.
Понимание этого процесса возможно, если рассматривать поровое пространство как
систему агрегатного и межагрегатного пространств, систему “транспортных” и
“сохраняющих” пор.
Вместе с тем при использовании и этого подхода возникает
немало вопросов. Например, как развиваются и растут трещины? Всегда ли они
возникают в одном и том же месте? За счет чего образуются устойчивые агрегаты?
Почему они свойственны только почве? И многие, многие другие, на которые еще
предстоит ответить.
Литература
1. Дмитриев Е.А. // Биол. науки. 1971.
№5. С.125-127.
3. Шеин Е.В. // Почвоведение. 1996. №3.
С.320-323.
4. Шеин Е.В. // Почвоведение. 1999. №1.
С.49-53.