Доклад: 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 бо˜льшие 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.

Подходы к оценке порового пространства почв

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.
 

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.

2. Окружающая среда: Энциклопедический словарь-справочник. М., 1993.

3. Шеин Е.В. // Почвоведение. 1996. №3. С.320-323.

4. Шеин Е.В. // Почвоведение. 1999. №1. С.49-53.