VIVOS VOCO: Е.В.Шеин, "Почвенные парадоксы"

ПОЧВЕННЫЕ ПАРАДОКСЫ

Е.В.Шеин

Евгений Викторович Шеин, - доктор биологических наук, профессор,
заведующий кафедрой физики и мелиорации почв
факультета почвоведения МГУ им.М.В.Ломоносова.

Все началось в экспедиции, в воронежской черноземной степи. Мы, будучи студентами-почвоведами, изучали типичные черноземы, закладывая специальные почвенные разрезы или, иначе говоря, аккуратные ямы определенной формы. И всякий раз удивлялись этому творению природы — черноземам: темный, почти черный, гумусовый слой распространялся до дна полутораметрового разреза. В нем даже глубже одного метра очень часто наблюдались признаки активной жизни — ходы землероев, заполненные рыхлым почвенным материалом, так называемые кротовины. Как-то раз прошел сильный дождь, настоящий степной ливень. Когда все утихло, вода быстро впиталась в черноземы. Чуть подсохло, и мы снова вышли на работу, заложили новые разрезы. По стенкам ямы проходила волнистая неровная линия смоченного иссиня-черного чернозема, ниже которой располагалась более светлая сухая, неувлажненная почва. Но вот что было удивительным: ходы землероев с рыхлой почвой оказались сухими и выглядели светло-серыми полосками на черном влажном фоне стенки разреза. Почему-то вода не впитывалась в кротовины, хотя, по моим представлениям, именно в эти трубки с рыхлой почвой она должна была пойти в первую очередь. Получилось же наоборот, дождевая влага активно впиталась в почву в целом, не увлажняя рыхлые ходы.

Эта загадка запала в память. Отгадка пришла через несколько лет, когда я уже освоил некоторые законы физики почв, особенности переноса влаги в почвах. Однажды я ознакомился со статьей профессора Московского университета Е.А. Дмитриева, в которой описывался интересный опыт. В стеклянный цилиндр высотой около 60 см и диаметром 40—50 см ставили бумажный рулон. Мелким песком заполняли все пространство вокруг рулона, а внутрь засыпали крупный. Бумажный рулон вынимали, и внутри массы мелкого песка оставался столбик из более крупного песка (рис.1). Естественно, этот столбик в целом был более пористым, чем окружающая его мелкопесчаная масса. Затем Дмитриев выливал воду на поверхность цилиндра в количестве, равном половине его объема (вода должна была проникнуть примерно до середины цилиндра). После того как вода впиталась, он переворачивал цилиндр, сдувал сухой песок и анализировал образовавшуюся форму нижней части увлажненного песка. Мало того что она была очень неровной — поразительным было то, что вода увлажняла основную массу мелкого песка и очень плохо передвигалась по центральной крупнопесчаной части (рис. 1).

Рис. 1. Опыт Е.А. Дмитриева:
цилиндр, заполненный песком различной крупности (слева),
увлажнение песка после полива (в центре);
предполагаемое увлажнение предварительно смоченного песка (справа).

Все это было не очень понятно: ведь в центральной части было больше пор (и пор более крупных), именно по ним вода и должна была двигаться в первую очередь. Да и здравый смысл подсказывал, что прежде всего по крупному песку вода должна проникнуть глубоко и совсем незначительно — по мелкому.

И мне вспомнились студенческие наблюдения в воронежских черноземах с сухими ходами землероев на фоне черной влажной почвы. Вероятно, это явление имело те же причины, что и в опытах Дмитриева. Необходимо было разобраться в механизмах этого парадокса, связанного с особенностями движения влаги в сухой почве. В этих условиях вода движется под действием так называемого капиллярно-сорбционного давления, т.е. силы, с которой почва способна “притягивать” влагу к поверхности твердой фазы.

Как известно, поверхность твердой фазы обладает нескомпенсированной энергией. Вода, попадая в почву, понижает свою свободную энергию в соответствии с ее поверхностной энергией. И если давление чистой свободной воды принять равным нулю, то в почве оно станет отрицательным, что проявляется в возникновении менисковых, капиллярно-сорбционных сил. Они и обусловливают передвижение воды в почве — из точки с большим давлением в точку с меньшим. Как тепло переносится из области прогретой в направлении более холодной почвы, так и растворимые вещества переносятся в направлении их меньшей концентрации.

Это общефеноменологический закон: перенос веществ и энергии происходит в направлении, противоположном градиенту движущей силы (градиент-то направлен от меньшего значения к большему). В нашем случае движущие силы — градиент давления почвенной влаги. Однако за формирование потока ответственен не только он, а еще и так называемый коэффициент влагопроводности — способность почвы проводить влагу. Этот коэффициент не постоянен для каждой почвы, а зависит от давления влаги в почвы. Он служит характеристикой не только вещественного состава и сложения почвы, но и ее насыщенности влагой, т.е. давления влаги. Причем такая зависимость довольно сложная, нелинейная. Для крупного и мелкого песка — это две различные по форме зависимости (рис.2). Именно они и определяли отмеченный почвенный парадокс.

Рис. 2. Зависимость коэффициента влагопроводности
от давления почвенной влаги
для крупного и мелкого песка.

Действительно, в ходе движения воды градиенты давления между влажной и сухой частью песчаной толщи были приблизительно одинаковы и для крупного и для мелкого песка. Впитывание влаги определялось в первую очередь коэффициентом влагопроводности, т.е. способностью песка проводить поток. В сухой почве, в области более высокого давления влаги (с учетом знака, ведь давление — величина отрицательная), проводимость мелкого песка выше, чем крупного. При одном и том же давлении коэффициент влагопроводности для мелкого песка был выше, чем для крупного в несколько раз (а иногда — и на порядки!). Значит, и нисходящий поток влаги в мелком песке был в несколько раз больше. Получается, что вода быстрее увлажняла мелкий песок, медленно передвигаясь вниз по крупному. Таким образом, зависимость проводимости от давления влаги и вызвала эффект, который наблюдал Дмитриев (рис. 1). Эта зависимость для мелкого и крупного песка в основном идентична таковой для плотной и рыхлой почвы. Следовательно, для сухих почв влагопроводность уплотненных участков выше, чем разрыхленных. Именно вследствие этих особенностей и возникал отмеченный в черноземах парадокс, когда разрыхленные кротовины оставались сухими после дождя, а более плотная почва увлажнялась.

Предположим, что в своих опытах Дмитриев взял не сухой песок, а предварительно увлажненный. Тогда проводимость крупного песка была бы выше, чем мелкого, поскольку в области высоких (с учетом знака) давлений, в увлажненных песках, влагопроводность крупного песка выше, чем мелкого. В результате опытов с влажными песками итоговая картина увлажнения выглядела бы иначе. Основная масса воды двигалась бы по крупному песку в центральной части цилиндра, медленнее насыщая мелкий.

Таким образом, специфическая зависимость влагопроводности почвы от давления воды для различных природных объектов нередко приводит к специфическим почвенным эффектам, которые весьма трудно предсказать и объяснить, не зная закономерностей переноса влаги в ненасыщенных почвах. Эффекты эти имеют не только познавательное, но и важное практическое значение, например, при различных способах полива.

Один из самых прогрессивных способов орошения — капельный. Он состоит в том, что непосредственно к стволу растения у основания подводится тоненькая трубочка, из которой очень медленно, по каплям, вода поступает в почву (рис. 3, слева). Растекаясь, вода образует смоченный контур, по форме напоминающий луковицу, которую часто называют влажностной луковицей. По идее изобретателей капельного орошения, она близка к форме корневой системы поливаемого растения. Вода никуда, кроме корней растений, не растекается, на поверхности почва остается все время сухой, за исключением небольшого влажного пятнышка под капельницей, т.е. вода попадает точно к растению.

Рис. 4. Контуры увлажнения после полива капельным способом:
при влажной (слева) и сухой (справа) почве в междурядьях деревьев.
Толщина и длина стрелок соответствует интенсивности водных потоков.

Капельное орошение весьма экономично: вода расходуется только на транспирацию растений, не утекает в глубокие слои почвы и почти не испаряется с ее поверхности. Этот способ можно использовать в районах, где пресной воды очень мало, а теплый климат позволяет выращивать уникальные растения (например, в Узбекистане, Израиле, Калифорнии и многих других пустынных и полупустынных районах). Второе преимущество капельного орошения — экологическая безопасность, при таком поливе не возникает вторичного засоления. Это крайне нежелательное явление происходит тогда, когда избыток воды попадает в глубинные слои, за счет чего грунтовые воды начинают подниматься к поверхности. В засушливых районах они, как правило, содержат немалое количество солей. При испарении солоноватых вод и происходит засоление почвы, на которой культурные растения не растут.

От вторичного засоления погибали целые цивилизации, например, государства Междуречья. Именно там впервые люди научились выращивать культурные растения при орошении. Но из-за избытка оросительных вод, попавших в грунтовые, плодородные почвы становились бесплодными солончаками: поля и сады превращались в пустыни, разрушались поселения, и люди покидали эти места. При капельном способе полива такого происходить не должно, поскольку вода из корневой зоны растений никуда не уходит. Прекрасная идея, однако не до конца учитывающая специфику передвижения влаги в ненасыщенной почве, связанную именно с зависимостью коэффициента влагопроводности от давления влаги.

Инженеры-мелиораторы, разработавшие капельное орошение, исходили из того, что перед поливом почва равномерно иссушена. Тогда действительно возникает влажностная луковица (рис. 3, слева). Но при таком способе полива растения, в частности древесные или кустарниковые, располагаются рядами. Междурядья же не орошаются — они либо зарастают травой, либо постоянно вспахиваются (благо, поверхность почвы сухая и пропахивать ее можно все время). При этом в междурядьях почва постепенно иссушается, и ее слои становятся суше, чем в рядах орошаемых растений. А чем суше почва, тем ниже ее влагопроводность, тем меньше поток влаги в сторону междурядья. Как ни парадоксально, влага не течет в сторону сухих участков междурядья, а интенсивно перетекает под рядами растений, именно в глубинные слои почвы (рис. 3, справа). И в конце вегетационного сезона вместо “влажностной луковицы” формируется неэффективный и экологически опасный контур, когда вода почти не уходит в стороны, а преимущественно течет вниз, за пределы корневой системы, а возможно, и в грунтовые воды.

Такие неэффективные и опасные с точки зрения вторичного засоления потери воды можно предвидеть, если учитывать специфику переноса влаги в ненасыщенных почвах. Сейчас это уже делают весьма квалифицированно. Математические модели переноса влаги позволяют рассчитывать контур увлажнения для различных почв и, следовательно, подбирать оптимальные решения по поливу так, чтобы влага поступала только для нужд растения, но ни в коем случае — в глубинные слои. В основе этих моделей лежат физические закономерности движения влаги в почве, которые первоначально выглядят загадочными парадоксами (почему вода не течет в сухую почву, а течет только по влажной? Почему вода не проникает в рыхлые кротовины, которые она, казалось бы, и должна в первую очередь увлажнять?), а по сути оказываются специфическим отражением общеприродных законов переноса веществ.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 01-04-48066.