Реферат на тему:

Cтруктура грунту. Вода в грунті

Структура — це відокремлення (агрегати), на які може розпадатися ґрунт.

Агрегати складаються зі з’єднаних між собою механічних елементів. Форми,
розміри і якісний склад структурних відокремлень у різних ґрунтах і
горизонтах неоднаковий. Розрізняють, за С.О.Захаровим, три основні типи
структури, кожен з яких ділиться на дрібніші одиниці (рис. 64). Ґрунт
може бути структурним і безструктурним. При структурному стані маса
ґрунту розділена на відокремлення тієї чи іншої форми та величини. При
безструктурному стані окремі механічні елементи, що складають ґрунт, не
з’єднані між собою, а існують окремо або залягають суцільною
зцементованою масою.

Структурні відокремлення в горизонті не бувають одного розміру і форми.
Частіше структура буває змішаною, тому при описі це зазначають двома або
трьома словами в послідовності зростання кількості відповідних
агрегатів: грудкувато-зерниста, грудкувато-пластинчато-пилувата і т. ін.

Для різних генетичних горизонтів ґрунтів характерні певні форми
структури: грудкувата, зерниста — для дернових, гумусових горизонтів,
пластинчасто-лускувата — для елювіальних, горіхувата — для ілювіальних у
сірих лісових ґрунтів тощо.

При оцінці ґрунтової структури потрібно відрізняти морфологічне поняття
структури від агрономічного. В агрономічному розумінні оптимальна тільки
грудкувато-зерниста структура розміром від 0,25 до 10 мм.

Поглинальна здатність ґрунту та її види

Склад і кількісне співвідношення органічних, мінеральних та
органо-мінеральних колоїдів у ґрунтах різні і залежать від характеру
ґрунтоутворюючих порід і типу ґрунтоутворення. Сукупність усіх речовин,
що знаходяться в колоїдному стані в даному ґрунті, називається, за
О.Н.Соколовським, ґрунтовим колоїдним комплексом (ГКК). Це різноманітні
глинисті мінерали, гумусові та білкові речовини, гідроксиди кремнію,
заліза та алюмінію. На ґрунтові колоїди припадає основна частка
поглинальної здатності ґрунту, однак помітна роль у поглинанні належить
і передколоїдній фракції (частинки від 0,2 до 1 мкм).

Сукупність високодисперсних мінеральних, органічних і органо-мінеральних
частинок твердої фази ґрунту, здатних поглинати, утримувати і обмінювати
молекули, іони, різні речовини та сполуки називається, за К.К.Гедройцем,
ґрунтово-поглинальним комплексом (ГПК).

Поглинальною здатністю ґрунтів називається їхня властивість обмінно чи
необмінно поглинати різні тверді, рідкі і газоподібні речовини або
збільшувати їх концентрацію на поверхні колоїдних частинок, які
знаходяться у ґрунті.

К.К.Гедройц виділив п’ять її видів: механічну, хімічну, біологічну,
фізичну та фізико-хімічну, або обмінну.

Механічна поглинальна здатність — це властивість ґрунтів поглинати
тверді частинки, що надходять із водним або повітряним потоком, розміри
яких перевищують розміри ґрунтових пор.

Вода при цьому очищається від зависей, що дозволяє використовувати ґрунт
для очищення питних і стічних вод. При будівництві зрошувальних систем
властивість ґрунтів поглинати тверді частинки використовується для
замулювання дна і- стінок каналів з метою зменшення фільтрації
(кольматування каналів, водосховищ тощо).

Хімічна поглинальна здатність зумовлена утворенням внаслідок проходження
хімічних реакцій у ґрунті важкорозчинних сполук, які випадають із
розчину в осад.

Катіони й аніони, які надійшли до ґрунту з атмосферними, поливними і
ґрунтовими водами, добривами, утворюють із солями ґрунтового розчину
нерозчинні або важкорозчинні сполуки:

[ГПК2-]Са2+ + Na2SО4 ? [ГПК2-] 2Na+ + CaSО4;

[ГПК2-]Ca2++ 2NaHCО3? [ГПК2-]2Na+ + Ca(HCО3)2;

Ca(HCО3)2 + H2О ? CaCО3 + CО2;

Al(OH)3 + H3PО4 ? A1PО4 + 3H2О;

Na2CO, + CaSО4 ? CaCO3 + Na2 SO2.

Біологічне поглинання спричиняється здатністю живих організмів (корені
рослин, мікроорганізми), які живуть у ґрунті, поглинати різні елементи.
Живі організми володіють вибірковою здатністю до елементів живлення.

Фізична поглинальна властивість — властивість ґрунту збільшувати
концентрацію молекул різних речовин на поверхні тонкодисперсних
частинок.

Поверхнева енергія таких частинок виникає на границі дотику дисперсної
фази з дисперсійним середовищем і вимірюється добутком поверхневого
натягу на сумарну поверхню частинок дисперсної фази, яка прагне до
найменшого скорочення.

Це реалізується шляхом: а) скорочення поверхні збільшених частинок, або
б) зменшення поверхневого натягу внаслідок адсорбції на поверхні
частинок деяких речовин. Речовини, які знижують поверхневий натяг,
називаються поверхнево-активними (органічні кислоти, алкалоїди, велика
кількість високомолекулярних сполук). Вони притягуються до поверхні
тонкодисперсних частинок, тобто проявляють додатну адсорбцію. Багато
мінеральних солей, кислот, лугів підвищують поверхневий натяг води,
зумовлюючи від’ємну адсорбцію, при якій концентрація цих речовин
зменшується з наближенням до поверхні частинки.

Фізико-хімічна, або обмінна поглинальна властивість, — властивість
ґрунту поглинати й обмінювати іони, що знаходяться на поверхні колоїдних
частинок, на еквівалентну кількість іонів розчину, взаємодіючого з
твердою фазою ґрунту.

Ця властивість ґрунту зумовлена наявністю у його складі так званого
ґрунтового поглинального комплексу (ГПК), зв’язаного з ґрунтовими
колоїдами.

Головним механізмом фізико-хімічної, або обмінної, поглинальної
здатності ґрунтів є процеси сорбції. Обмінна сорбція катіонів — це
здатність катіонів дифузного шару колоїдних міцел обмінюватися на
еквівалентну кількість катіонів зітк-неного з ним ґрунтового розчину.
Обмінними катіонами у ґрунті звичайно є: Са2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+,
Mn2+, Fe2+, Fe3+, H+, Al3+. У незначних кількостях присутні катіони Li+,
Sr2+ та інші.

Головні закономірності сорбції катіонів:

1) еквівалентність обміну між поглинутими катіонами та катіонами
взаємодіючого розчину. Термодинамічна константа повністю зворотного
(рівноважного) обміну двох однаково заряджених катіонів А і В має
дорівнювати 1,

КА/В = аАпогл. • аВрозч./аАрозч. • аВпогл. = 1

де аА і аВ — активності катіонів у ввібраному стані і в рівноважному

оточуючому розчині.

2) у ряду різновалентних іонів енергія поглинання збільшується з
підвищенням валентності іона:

Li+ < Na+ < К+ < NH4+ < Cr+ « Mg2+ < Са2+ « А13+ < Fe3+. Під енергією поглинання розуміють відносну кількість поглинутих катіонів ґрунтами при одній і тій самій концентрації в розчині. 3) енергія поглинання визначається радіусом негідратованого іона: чим менший радіус, тим слабше зв'язується іон. Це пояснюється більшою щільністю заряду, а, отже, й більшою гідратованістю іона. Гідратні оболонки зменшують їх чутливість до електростатичного тяжіння (табл. 34). 4) усередині рядів іонів однієї валентності енергія поглинання збільшується з підвищенням атомної маси та атомного номера: одновалентні 7Li < 23Na < ,8(NH)4 < 39К < 89Pb; двовалентні 27Mg < 4ОСа < 59Со < ,12Cd; тривалентні 27А1 < 56Fe. Іон Н+ або Н3О+ (оксоній) сорбується щільно, що зумовлено його малими розмірами. Швидкість обміну катіонів у ґрунтах визначається всередині дифузними процесами - 75-85 % поглинутих катіонів десорбується у перші 3-5 хвилин взаємодії, потім обмін сповільнюється і продовжується 2-3 доби. Це зв'язано з нерівністю поверхні колоїдних частинок. Таблиця 34 Діаметр катіонів без гідратних оболонок і в гідратному стані Катіони Діаметр, Нм Гідратація у молях води па 1 моль катіона негідратовапий (Гольдшмідт) гідратований Х.Пальман ГЛспні Li+ 0,078 0,73 1,003 11-13 Na+ 0,098 0,56 0,790 9-11 К+ 0,133 0,38 0,532 5-6 NH4+ 0,143 - 0,537 2-3 Mg2+ 0,078 1,08 - 20-23 Са2+ 0,106 0,98 - 19-20 Ва2+ 0,143 0,88 - 18-20 А13+ 0,058 - - - НзО (оксоній) - 0,135 - - Форми води в ґрунті та їх доступність рослинам Ґрунтова волога залежно від характеру зв'язку між молекулами води, твердою та газоподібною фазами ґрунту характеризується різною рухливістю й неоднаковими властивостями. Тому О.А. Роде запропонував ґрунтову воду розділяти на категорії (форми), виходячи з того, що кожна конкретна форма води в ґрунті володіє однаковими властивостями. За фізичним станом розрізняють: тверду, рідку та пароподібну; за характером зв'язку з твердою фазою ґрунту та ступенем рухливості - шість форм: хімічно зв'язану, тверду, пароподібну, фізично міцнозв'язану та пухкозв'язану, вільну (рис. 1). Хімічно зв'язана вода включає конституційну й кристалізаційну. Перша з них представлена гідроксильною групою ОН хімічних сполук - гідроксидів заліза, алюмінію, марганцю; органічних та органо-мінеральних сполук; глинистих мінералів. Друга - молекулами води кристалогідратів, переважно солей: напівгідрату -CaSО4 • О,5Н2О; гіпсу - CaSО4 -2Н2О; мірабіліту - Na2SО4 • 1ОН2О та ін. Ця вода входить до складу твердої фази ґрунту, не переміщується й не має властивості розчиняти. Хімічно зв'язана вода рослинам недоступна. При ЇЇ втраті (дегідратація, синерезис) проходить незворотна трансформація мінеральних, органічних і органо-мінеральних сполук. Тверда вода (лід) - потенційне джерело рідкої та пароподібної води, в яку лід переходить внаслідок танення й випарування. Поява води у формі льоду може мати сезонний або багатовіковий характер. Температура замерзання води в ґрунті нижча О °С, тому що ґрунтова вода є завжди розчином. Тверда вода нерухома та недоступна рослинам. Пароподібна вода міститься у формі водяного пару в ґрунтовому повітрі порового простору, насичуючи його нерідко до 1ОО%. Один і той же ґрунт може поглинати різну кількість парів води з атмосферного повітря: чим більша відносна вологість приземного шару повітря, тим більшу кількість поглинутої води має ґрунт. При підвищенні температури знижується відносна вологість повітря і вода з ґрунту випаровується у ґрунтове повітря. Ця форма води в ґрунті переміщується в його поровому просторі від місць із високою пружністю водяного пару до місць із більш низькою пружністю, а також разом із течією повітря. При зниженні температури пароподібна вода, конденсуючись, може переходити в рідку. Міцнозв'язана вода - перша форма фізично зв'язаної води, яка називається гігроскопічною водою. † e?? Ae*eeeEeeeeeeeeeeeeeeeee 0Па, утворює навколо ґрунтових частинок тонесенькі плівки, що складаються з 1-3 шарів молекул води, які є диполями, володіють здатністю притягуватись як до ґрунтових частинок, так і взаємодіяти одна з одною. Вони притягуються полюсами протилежного знака. Всі молекули сорбованої води зорієнтовані. За фізичними властивостями гігроскопічна вода наближається до твердих тіл. Густина її досягає 1,5-1,8 г/см3. Вона нерухома, не замерзає, не розчиняє електроліти, відрізняється підвищеною в'язкістю і недоступна для рослин. Кількість води, яка може сорбуватися ґрунтом, залежить від відносної вологості повітря. Наприклад, при відносній вологості повітря 2О - 4О% має місце сорбція води безпосередньо ґрунтовими частинками з утворенням моно-, бімолекулярного шару. Подальше збільшення відносної вологості повітря зумовлює зростання товщини водяної плівки. Максимальна кількість води, яку може поглинути ґрунт із пароподібного стану при відносній вологості повітря приблизно 95-1ОО %, називається максимальною гігроскопічністю (МГ). При вологості ґрунту, рівній МГ, товщина водяної плівки досягає 3-4 шарів молекул води. На величину МГ суттєво впливає величина питомої поверхні ґрунтових частинок, яка залежить від мінералогічного складу та рівня гумусованості. Чим більше в ґрунті мулистих та, особливо, колоїдних частинок, тим вищим буде вміст гігроскопічної води. В слабкогумусованих піщаних і супіщаних ґрунтах значення МГ становить О,5-1%, в добре гумусованих суглинкових та глинистих ґрунтах - 1О-15%), в торф'яниках - 3О-4О% від маси абсолютно-сухого ґрунту. Крім максимальної гігроскопічності (МГ), виділяють також максимальну адсорбційну вологоємність (МАВ), яка являє собою максимальну кількість міцнозв'язаної води, що утримується на поверхні ґрунтових частинок сорбційними силами. Пухкозв'язана (плівкова) вода. Ґрунт не може сорбувати пароподібну воду більше від МГ, але рідку воду може сорбувати і в більших кількостях. Вода, яка утримується в ґрунті сорбційними силами зверх МГ, - це вода плівкова, або пухкозв'язана. Полімолекулярна плівка утворюється навколо ґрунтових частинок. Товщина її досягає декількох десятків і навіть сотень діаметрів молекул води. Внаслідок того, що з віддаленням від поверхні ґрунтових частинок знижується міцність фіксації молекул води, плівкова вода може переміщуватися в рідкому стані від ґрунтових частинок із більш товстими водяними плівками до частинок, у яких вони тонші. Швидкість її руху - декілька сантиметрів на рік. У середньому для більшості ґрунтів кількість її складає 7-15 %, деколи в глинистих ґрунтах 30-35%, а у піщаних - не більше 3-5%. Максимальна кількість пухкозв'язаної (плівкової) води, що утримується силами молекулярного притягання дисперсних ґрунтових частинок, називається максимальною молекулярною вологоємністю (ММВ). Величина її, як і МГ, залежить від гранулометричного складу: чим більше мулистих частинок, тим вища величина ММВ. Вона відповідає наявності в ґрунті двох форм води: гігроскопічної й плівкової. Визначає запаси недоступної для рослин води в ґрунті, іншими словами - вологість в'янення (ВВ) рослин. Вона характеризується кількістю води в ґрунті, при якій рослини стало в'януть. Наприклад, кількість води в ґрунті, при якій настає стійке в'янення рослин (або коефіцієнт в'янення): на піщаних ґрунтах становить О,5-1,5%, супіщаних- 1,5-4%, суглинкових - 3,5-12%, глинистих -12-2О%, торф'янистих - 4О-5О%) від маси абсолютно-сухого ґрунту. Між вологістю в'янення і максимальною гігроскопічністю існує прямий зв'язок. Для наближених розрахунків можна вважати, що ВВ більша МГ у 1,5-2 рази. Для характеристики доступної рослинам вологи користуються показником pF. Він зв'язаний зі всмоктуючою силою ґрунту, яку можна визначити. Вона зменшується в міру зволоження ґрунту і вимірюється шляхом замірів тиску стовпа води (в см), який врівноважується даною кількістю води в ґрунті. За одиницю вимірювання беруть логарифм висоти стовпа води, так звану величину pF. Наприклад, тиску 1ООО см Н2О (1 атм) відповідає pF = 3. Чим вищий pF, тим міцніше вода утримується ґрунтом. Установлено, що величина pF на всіх ґрунтах при вологості, яка відповідає вологості в'янення рослин, дорівнює 4,2, при вологості уповільненого росту рослин - 2,9, при вологості, яка відповідає польовій вологоємності, - 2,О. Вільна вода - міститься в ґрунті зверх пухкозв'язаної води. Відрізняється від останньої відсутністю орієнтації молекул води біля ґрунтових частинок. Вільна вода присутня в ґрунті у формі капілярної та гравітаційної (рис. 83). Капілярна вода утримується в ґрунті в порах малого діаметра -капілярах, капілярними (або менісковими) силами. Ці сили виникають внаслідок наявності на поверхні рідини ненасичених молекул, які є джерелом надлишкової поверхневої енергії. Постійне прагнення енергії до найменшого значення виявляється в максимальному зменшенні поверхні рідини. Вода добре змочує більшість тіл. Явище змочування викликає скривлення поверхні рідини біля стінок посудини, в якій вона міститься. Якщо посудина має великий діаметр, то значна частина поверхні залишається плоскою, а скривлюються тільки її краї. У посудинах із малим діаметром вищезгадане скривлення викликає утворення меніска, який для води має вигнуту форму. Меніски утворюються тільки в порах малого діаметра. Чим менший діаметр капіляра, тим більша скривленість меніска. Скривлення поверхні веде до зміни поверхневого тиску. Він зменшується при утворенні зігнутого меніска і збільшується при утворенні опуклої форми. Зі зменшенням поверхневого тиску в менісках таких пор зв'язана висота капілярного підняття рідини. Висота капілярного підняття рідини пропорційна радіусу капіляра (формула Жюрена). Висота, на яку може піднятися рідина, залежить від радіуса кривизни поверхні рідини. У ґрунтах капілярні сили починають проявлятися в порах з діаметром менше 8 мм, але особливо велика їх сила в порах з діаметром від О,1 до 0,003 мм. Капілярна вода рідка, дуже рухлива, розчиняє речовини, переміщує солі. Вона поділяється на: капілярно-підвішену, капілярно-підперту, капілярно-посаджену. Капілярно-підвішена вода заповнює капілярні пори при зволоженні ґрунту зверху (після дощу, поливу). Вона може рухатися у всіх напрямках. Капілярно-підперта вода утворюється в ґрунтах при піднятті води знизу від горизонту ґрунтових вод по капілярах на деяку висоту (від 0,5 до 6 м). Зона над дзеркалом ґрунтових вод, насичена капілярно-підпертою водою, називається капілярною каймою. Капілярно-посаджена вода утворюється в шаруватій ґрунтовій товщі дрібнозернистого шару при підстиланні його шаром крупнозернистим, над границею зміни цих шарів. Максимальна кількість капілярно-підвішеної води, яка залишається в ґрунті після стікання надлишкової вільної води, називається найменшою вологоємністю (НВ). Це можливе за відсутності капілярного зв'язку з ґрунтовими водами. Величина НВ залежить від гранулометричного складу, гумусованості, структурності та складення ґрунту. В супіщаних та піщаних ґрунтах НВ складає 5-2О%, суглинкових і глинистих- 20-45% від маси абсолютно сухого ґрунту. НВ - важливіша агрономічна характеристика ґрунту, тому що показує запас доступної для рослин води, яка може утримуватися впродовж тривалого часу. Оптимальна вологість ґрунту для більшості рослин відповідає 70-100%) НВ. Різниця між величиною НВ і фактичним вмістом вологи в ґрунті називається дефіцитом вологи в ґрунті. Із висиханням ґрунту порушується суцільність заповнення капілярів водою, сповільнюється або припиняється висхідний рух води по капілярах. Знижується і доступність для рослин вологи, що залишилася в кутах стику частинок і на ділянках капілярів. Ця кількість води в ґрунті називається вологістю розриву капілярів (ВРК). ВРК характеризує нижню межу оптимальної вологості ґрунту. При значеннях вологості ґрунту, нижчих за ВРК, сповільнюється ріст та знижується продуктивність рослин. Величина ВРК у різних ґрунтах варіює в межах 50-70% НВ. Максимальна кількість капілярно-підпертої води, яка може утримуватися в шарі ґрунту над дзеркалом ґрунтових вод (у межах капілярної кайми), називається капілярною вологоємністю (KB). Величина її залежить від пористості ґрунту й материнської породи, а також від глибини залягання ґрунтових вод. При близькому до поверхні рівні ґрунтових вод (1,5-2,0 м) KB найвища (30-40%). Гравітаційна вода переміщується в ґрунті під дією гравітаційних сил. її стан рідкий, має високу розчинність, вона переносить солі, колоїди, тонкі суспензії. Присутність у ґрунті цієї форми води явище несприятливе, спостерігається тимчасове або постійне перезволоження, відновні процеси й оглеєння. Максимальна кількість гравітаційної води, яку може вмістити ґрунт при заповненні всіх пустот, крім пор із защемленим повітрям (5-8% загальної пористості), називається повною вологоємністю (ПВ). При повному насиченні ґрунту водою, тобто при значеннях його вологості, що відповідає ПВ, у ґрунті міститься максимальна кількість води, що включає гігроскопічну, плівкову, капілярну і гравітаційну форми ґрунтової води. Величина ПВ практично дорівнює пористості ґрунту і змінюється від 2О-4О до 50-60% від маси абсолютно сухого ґрунту. Знаходячись у ґрунті в різних формах, вода відрізняється за доступністю для рослин. Взаємозв'язок форм ґрунтової води, їх доступність рослинам і способи пересування в ґрунті подано в табл. 41. Установлено верхню і нижню межі вмісту доступної ґрунтової вологи під рослинним покривом. Верхня межа - це найменша польова вологоємність (НВ), тобто кількість води, що утримується ґрунтом після того, як у його товщі закінчився перерозподіл гравітаційної води. Такий момент на добре дренованих ґрунтах наступає через два-три дні після випадання дощу або зрошення. Нижня межа - це такий вміст води в ґрунті, який уже не забезпечує нормальну життєдіяльність рослин і вони починають в'янути. Це вологість в'янення (ВВ). Вологість в'янення - найважливіша агрогрунтова характеристика. Як критерій доступності води рослинам, вона зумовлена не тільки властивостями ґрунту, але й видом рослин. Всмоктуюча здатність коренів визначає рівень нижньої межі доступної вологи. Використана література Панас Р.М. «Рекультивація земель». Вища освіта України. Новий світ – 2000, 2007. Рокочинський, Анатолій Миколайович Наукові принципи, методи і моделі оптимізації та прогнозної оцінки ефективності водорегулювання осушуваних земель на довготерміновій основі: Автореф. дис. док. техн. наук: Спец. 05.20.05.- Рівне, 1998.- 36с.

Похожие записи