Энергетическое состояние почвенной влаги

Энергетическое состояние почвенной влаги необходимо охарактеризовать для того, чтобы оценить подвижность воды в почве и ее доступность растениям. Именно такая оценка дает представление о величине сил, удерживающих и движущих воду в почве, и позволяет измерить исходные параметры, входящие в уравнение для расчета передвижения воды в почве и в системе почва-растение-атмосфера.

Почвенная влага находится под действием сил различной природы (гравитационное, осмотическое, капиллярно-сорбционное или матричное давления), понижающих ее свободную энергию. Это снижение энергии по сравнению со свободной чистой водой можно измерить в виде некоторой работы. Эта полезная работа на единицу количества воды, которую необходимо затратить, чтобы переместить обратимо и изотермически бесконечно малое количество воды из резервуара с чистой водой, находящегося на стандартной высоте над уровнем моря, в почвенную влагу в рассматриваемом месте при неизменном внешнем давлении, называется потенциалом влаги в почве. В физике почв наиболее часто используют единицы измерения давления влаги в почве в «сантиметрах водного столба» - давление столба чистой воды высотой 1 см.

В полевых условиях давление воды в почве определяют с помощью тензиометров. Принцип тензиометрического метода определения давления воды в почве заключается в том, что в почву помещают наполненный водой пористый керамический сосуд - датчик, который соединен с вакуумметра.Тензиометр состоит из следующих основных деталей: датчика – водонасыщенного тонкопористого (керамического) зонда, соединенного с ним через трубку измерительного манометра (вакуумметра) и воздушной ловушки.

Почва отсасывает воду сквозь пористую стенку датчика с силой, эквивалентной давлению влаги. Создающееся при отсасывании влаги разрежение учитывается манометрически. С помощью тензиометров можно определять давление влаги в интервале от нуля (что наблюдается в водонасыщенной почве) до -90 кПа. Главным недостатком тензиометров является их инерционность.

Известны различные конструкции тензиометров, различающиеся прежде всего манометрическими устройствами. На практике мы использовали тензиометр с пружинным вакуумметром. В нем в качестве измерительного устройства используется вакуумметр. Весь тензиометр выполнен из резиновой трубки, заполнен деаэрированной водой и закрыт пробкой. Манометр при этом указывает величину возникающего в тензиометре разрежения, равного по абсолютной величине тензиометрическому давлению почвенной влаги. Следует учитывать, что регистрируемое разрежение и давление влаги в почве равны по величине и противоположны по знаку: разрежение – положительно, а давление почвенной влаги – отрицательно. Об этом всегда следует помнить при переходе от регистрируемых по тензиометру величин разрежения к величинам давления влаги.

Воздушная ловушка необходима для того, чтобы диффундирующий через керамическую мембрану воздух скапливался в этой емкости. Диффундирующий воздух не должен поступать в манометр, так как в этом случае он прервет сплошность связи водной системы манометр–керамическая свеча–почвенная влага и может возникнуть воздушная пробка. Это увеличит инерционность работы тензиометра, снизит точность и может значительно исказить результаты. Чтобы отсечь диффундирующий воздух от единой водной системы манометр–свеча–почвенная вода, по вертикали со свечой в тензиометре устанавливают емкость, желательно стеклянную, в которую поступает и где скапливается диффундирующий воздух. При этом воздух в ловушке не прерывает гидравлический контакт манометра через свечу с почвенной влагой, результаты определений существенно искажены не будут,

При помещении керамического зонда в ненасыщенную почву вода из тензиометра через поры фильтра начинает перетекать в окружающую фильтр почву. Причиной этого передвижения является перепад давления влаги между водой в тензиометре, которое в первоначальный момент равно нулю, и в ненасыщенной влагой почве. Так как тензиометр полностью заполнен водой, переток воды из тензиометра в почву будет происходить до тех пор, пока давление влаги в почве не сравняется с давлением влаги в тензиометре. Последнее измеряют с помощью вакуумметра.

Тензиометр позволяет получать качественную информацию о состоянии

почвенной влаги при тщательном выполнении трех условий:

1) герметичность (газонепроницаемость) всей конструкции (водонасыщенного фильтра, всех узлов и соединений);

2) надежная гидравлическая связь между вакуумметром и водой в фильтре без нарушений и прерывов;

3) качественный гидравлический контакт фильтра с окружающей почвой.

На практике мы установили тензиометры в скважины на заданную глубину – 20 см. Для обеспечения надежного контакта тензиометра с почвой приготовили пасту из вынутой почвы, обмазали ей керамический зонд и только потом поместили в скважину. Потом засыпали пространство между свечой тензиометра и стенками скважины вынутой почвой и тщательно уплотнили.

Измерения проводились на следующий день после установки тензиометра, так как для достижения равновесия в системе почва-керамический зонд потребовались сутки. Показания с тензиометра снимали два раза в день – в 10 и 19 часов.

В ходе сделанных измерений было установлено, что на глубине 20 см давление медленно увеличивалось с небольшими скачками в дневное время. На начальном этапе измерений давление составляло 0,2 атм. Так как погода была солнечная и без осадков, происходило иссушение почвы и как следствие увеличение давления.

Заключение