ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 7, с. 843-850
= ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.4
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОЧВЕННЫХ ЧАСТИЦ НА ИХ ОСНОВНУЮ ГИДРОФИЗИЧЕСКУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ
© 2015 г. И. И. Судницын
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
е-таП: iisud@mail.ru Поступила в редакцию 30.05.2013 г.
Статистический анализ сорбции водяного пара легкоглинистой бурой лесной почвой и ее элементарными частицами различного диаметра выявил весьма тесную корреляционную связь и линейные регрессионные зависимости между логарифмом полного потенциала (давления) почвенной влаги и влажностью выделенных гранулометрических фракций (вследствие гидратации поглощенных катионов, находящихся в диффузном слое, прилегающем к электрически заряженной поверхности твердой фазы почвы), а также весьма тесную корреляционную связь и линейную регрессионную зависимость между влажностью гранулометрических фракций и логарифмом их диаметра (что объясняется различиями не только величины удельной поверхности элементарных почвенных частиц разного диаметра, но и их минералогического состава).
Ключевые слова: влажность почв, потенциал почвенной влаги, давление почвенной влаги, удельная поверхность почвы, поглощенные катионы, корреляция, регрессия.
БО1: 10.7868/80032180X15050111
ВВЕДЕНИЕ
Оптимизация водного режима почв возможна лишь при достаточно точных прогностических расчетах потоков влаги в почвах, а для этого необходимо знать гидрофизические свойства различных фракций гранулометрического состава этих почв, в первую очередь — зависимость потенциала (или давления) почвенной влаги и коэффициента влагопроводности от влажности почв, часто называемую (по предложению А.М. Глобуса) "основной гидрофизической характеристикой почв" (ОГХ) [2, 8, 10]. Ее определение и анализ — одна из важнейших и неотложных проблем гидрофизики почв, которая разрабатывается уже более полувека. Интерес к ней не ослабевает до настоящего времени [11-13, 21-23, 25, 26, 28, 29, 31-33, 35-43, 45, 46, 48, 49]. Цель статьи - выявить важную составляющую основной гидрофизической характеристики почв, а именно зависимость потенциала (или давления) почвенной влаги от влажности разных фракций гранулометрического состава.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для решения этой проблемы необходимо иметь качественную исходную информацию о влажности различных фракций гранулометрического состава почв при разных уровнях давления ("потенциала") влаги. Такая информация имеется в основополагающей монографии профессора
А.А. Роде "Основы учения о почвенной влаге" [9]. Это — результаты прецизионных исследований Курона [34] — одного из создателей физики почв, исследователя, известного высокой точностью проведенных им экспериментов. Данные представлены в виде количества влаги, адсорбированной отдельными фракциями элементарных частиц различного размера бурой легкоглинистой почвы Вегнерсау (Польша, Нижняя Силезия), выделенных из почвы методом седиментации, при разной относительной упругости водяного пара. Для определения зависимости ОГХ от размера элементарных частиц различных гранул о -метрических фракций эти данные были подвергнуты математическому анализу по следующему алгоритму: 1 — вначале по данным о величине равновесной относительной упругости пара были рассчитаны значения потенциала влаги (Дж/г воды); 2 — затем были вычислены значения натуральных логарифмов модулей потенциала влаги, а также величины pF; 3 — по данным Курона [34, цит. по 9] рассчитана влажность различных гранулометрических фракций почвы при разных уровнях равновесной относительной упругости пара.
Следующим необходимым этапом исследований были поиски достаточно компактного ("элементарного") аналитического математического выражения (функции), которое могло бы адекватно отобразить ОГХ во всем диапазоне гигроскопической влаги. Необходимость этого поиска была вызвана тем, что только при наличии такой эле-
ментарной функции появляется возможность представить в обобщенном виде характер влияния размера элементарных почвенных частиц на ОГХ. Ранее были предложены различные аналитические выражения для описания ОГХ в диапазоне гигроскопической влажности, однако каждое из них дает удовлетворительные результаты лишь в пределах некоторой части этого диапазона [9, 22].
Поиск адекватной аналитической функции, описывающей ОГХ, обычно осуществляют при помощи педотрансферных методов. Существует несколько основных групп этих методов [21]:
1 — методы физически обоснованных моделей;
2 — точечно-регрессионные методы; 3 — функционально-параметрические регрессионные методы. Наиболее предпочтительными из них являются методы физически обоснованных моделей, так как они дают возможность получить наиболее репрезентативные функции (ОГХ, полученные этими методами для одной почвы, могут быть использованы для определения ОГХ других аналогичных почв). Сложность структурно-функциональных свойств почв затрудняет создание физически обоснованных моделей, однако именно для случая ОГХ в пределах диапазона гигроскопической влажности существует удачный пример такой модели [14—20]. В основу этой модели положен факт, что в почвенном растворе, контактирующем с поверхностью частиц твердой фазы почвы, как правило, формируется диффузный слой обменно-поглощенных ионов, которые удерживаются около этой поверхности (обычно электрически отрицательно заряженной) силами электростатического притяжения — силами Кулона. По теории, развитой Гуи [30], "распределение ионов в растворе около поверхности твердой фазы определяется двумя противоположными влияниями. С одной стороны, тепловое движение стремится распределить ионы равномерно — так, чтобы в каждом элементе объема раствора находилось в среднем одинаковое число положительных и отрицательных ионов. С другой стороны, электростатические силы, исходящие от поверхности твердой фазы, вследствие избытка ионов определенного знака на границе раздела фаз, действуют таким образом, что элементы объема раствора, расположенные вблизи поверхности раздела, содержат избыток противоположно заряженных ионов. Поверхность твердой фазы как бы притягивает противоположно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные. Равновесие, которое устанавливается в результате влияния этих двух сил — теплового движения и электростатических, аналогично атмосферному равновесию газовых молекул под влиянием силы тяжести. Избыток противоположно заряженных ионов, находящихся непосредственно около поверхности, по мере увеличения расстояния от границы раздела фаз по направлению внутрь рас-
твора уменьшается по закону, выраженному барометрической формулой" [4].
Обсуждая поведение частиц почвы в воде, Роде в "Основах учения о почвенной влаге" пишет об этом так [9]: "Многие исследователи, начиная с Гуи, представляют себе частичку почвенных коллоидов в виде ядра, которое окружено диффузным слоем ионов. В почвенных коллоидах эти последние в большинстве случаев бывают представлены катионами в связи с тем, что сама частица обычно имеет отрицательный заряд. Катионы, образующие диффузный слой, являются частью обменных катионов ("отдиссоциированные ионы")... Они стремятся рассеяться по всем направлениям, но удерживаются электростатическим притяжением противоположно заряженного коллоидного комплексного иона, который образует ядро ионной атмосферы. Катионы, отдиссоции-рованные коллоидной частицей, порождают "осмотическую силу". Благодаря гидратации этих ионов, почва приобретает способность впитывать и удерживать воду".
Шеин в "Курсе физики почв", анализируя эту проблему, пришел к аналогичному выводу: "Минеральные частицы, имея на поверхности обменные катионы, будут отталкиваться друг от друга.; между отдельными частицами возникает зона повышенной концентрации ионов. Это должно привести к повышенному осмотическому давлению, которое будет "закачивать" свободную влагу между частицами. Эти силы стремятся "набирать" в почву воду" [22].
От того, как изменяется концентрация катионов в воде по мере удаления от электрически заряженной поверхности частиц твердой фазы почвы, зависит и сила удержания почвой воды, гид-ратирующей эти катионы, при различной влажности почвы. Гуи [24, 30] уже 100 лет тому назад предположил, что зависимость концентрации катионов от их расстояния от поверхности твердой фазы имеет экспоненциальный характер, то есть логарифм концентрации катионов (lg Ск) в их диффузном слое связан с расстоянием от электрически заряженной поверхности (L) обратной линейной зависимостью:
lgСк = а - bL, (1)
где a и b — постоянные для данного объекта величины.
Предстояло достаточно строго теоретически доказать справедливость этого предположения. Это стало возможным благодаря использованию фундаментальных открытий теоретической физики. Первое из них было сделано более 150 лет тому назад (в 1859 г.) Максвеллом [7], который теоретически вывел статистическое распределение молекул по их энергии. Это распределение — одно из основных достижений научной мысли,
лежащее в основе "статистической физики" (одного из важнейших разделов современной теоретической физики). Через 10 лет (в 1869 г.) другой великий ученый — Больцман [7] — расширил это распределение, что сделало возможным его применение для описания распределения частиц по их потенциальной энергии во внешнем поле сил. Для условий гравитационного поля Земли это распределение позволило вывести так называемый "барометрический закон", описывающий изменение атмосферного давления по мере подъема до нескольких километров над уровнем моря (в первом приближении, конечно, то есть без учета влияния нестационарного состояния атмосферы). В соответствии с "барометрическим законом" логарифм атмосферного давления линейно уменьшается по мере подъема над поверхностью Земли [5, 7].
Поскольку законы, описывающие два вида взаимодействия, а именно электростатическое — закон Кулона и гравитационное (закон всемирного тяготения), полностью аналогичны (а именно: сила притяжения, как масс, так и электрических зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними) [5], то, следовательно, "барометрический закон" Больцмана может отображать не только умень
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.