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 (20-25см), 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 50см, 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 5см 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 60см. 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 25см. Раствор заметно растекался за границы рамы уже на глубине 15см, удаляясь на 50см и более от ее границ на поверхности. Нередко уже на глубине 30см 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 60см 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 60см 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.

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.

Почвенный разрез с отдельной трещиной. Масштаб почвенного бура - 10см. 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 125см3, 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.