Soil Water Part 4 PDF
Document Details
ابراهيم نصار
Tags
Summary
This document is part four of a series by Dr. Ibrahim Nassar on soil water. It discusses the properties of water, including its role in soil formation and plant growth, and how water's characteristics influence various processes.
Full Transcript
المـــــــاء األرضى Soil water الماء األرضى أو المحتوى الرطوبى بالتربه له دور كبير فى تكوين األراضى والتعريه ،وتكوين بناء التربه وكذلك نمو النبات .والماء األرضى يمثل الوسط الالزم إلنتقال العناصر الغذائية الالزمة للنبات من التربة ،وفيه تتم معظم التفاعالت الكيماوية ،كما يقوم الماء...
المـــــــاء األرضى Soil water الماء األرضى أو المحتوى الرطوبى بالتربه له دور كبير فى تكوين األراضى والتعريه ،وتكوين بناء التربه وكذلك نمو النبات .والماء األرضى يمثل الوسط الالزم إلنتقال العناصر الغذائية الالزمة للنبات من التربة ،وفيه تتم معظم التفاعالت الكيماوية ،كما يقوم الماء بدور المنظم لدرجة حرارة التربة نظرا إلرتفاع سعته الحرارية .الماء يشكل 85إلى 95 %من وزن النبات الطازج عالوة على مشاركته فى عملية التمثيل الضوئى هو وسط إنتقال العناصر الغذائية بالنبات حيث تتم معظم التفاعالت الحيوية والكيماوية بالنبات فى وسط مائى . بالنظر إلى تكوين التربة نجدها تتكون من ثالثة أطوار :الطور الصلب ،Solid phaseوالطور الغازى،gaseous phase والطور السائل liquid phaseوالطورين األخرين يشغال الفراغات الموجودة بين حبيبات الطور الصلب.فإذا فرض أن نسبة الفراغات % 50من الحجم الكلى للتربة فان %50األخرى تمثل الطورالصلب. خصائص الماء Properties of water ا-ترتيب جزئيات الماء water molecules arrangements شكل ( :)40ارتباط ذرات جزئي الماء . ترتبط جزئيات الماء ببعضها بواسطة الرابطة الهيدروجينية hydrogen bonds كما فى شكل ( )40حيث تكون هناك أربع روابط أيدروجين عند مواقع1بين كل جزئ ماء وأربعة جزئيات ماء أخرى. .ب -كثافة الماء : تعرف الكثافة عموما بأنها كتلة وحدة الحجوم .وتعتمد كثافة الماء على ترتيب جزيئات الماء وطاقة الحركة والرابطة األيدروجينة.فنجد أن كثافة الماء أكبر ما يمكن ( 1جم /سم )3عند درجة حرارة 0 4م واذا زادت أو إنخفضت درجة الحرارة عن تلك القيمة إنخفضت كثافة الماء . جـ -الماء كمذيب Water as a solvent -1القطبية حيث تستطيع جزئيات الماء أن ترتب نفسها بحيث يرتبط القطب السالب من جزئ الماء بالشحنة الموجبة من المركب والعكس صحيح ومثال لذلك إدمصاص جزئيات الماء على سطح حبيبات التربة السالبة الشحنة. - 2ثابت العزل الكهربائى للماء :يمثل ثابت العزل الكهربائى مدى إنفصال الشحنه فى جزئ المادة القطبية مثل الماء .فنجد أن ثابت العزل الكهربائى للماء 78.55عند درجة حرارة 20م بينما فى الكحول الميثيل 31.5عند نفس الدرجة . -3الرابطة الهيدروجينية للماء يكسبه قدرة كبيرة على التفاعل مع المركبات االخري ه -الضغط البخارى للماء Vapor pressure إذا ترك كأس ماء مكشوفا تحت الضغط الجوي الخارجي (شكل -41أ) فإن الماء سوف ينتهي تماما بعد فترة وال يبقى في الكأس شيئا منه.ولكن ماذا يحدث إذا وضع كأس الماء في المعمل وأبعد عنن اتتصنال بنالجو الخنارجي (شكل -41ب) إنه في هذه الحالة لن يتبخر كليا ،بل سنجد في الناقوس جزيئات من البخار ،وسنجد أن هذه الكمية من الجزيئات تبدو ثابتة وكأن الماء لم يعد يتبخر ،يبقى هذا األمر ثابتا ظاهريا طالما بقيت درجة الحرارة ثابتنة، يكون البخار عندها في حالة اتزان مع السائل وإذا قيس ضغط بخار المناء عنند درجنة حنرارة معيننة فإنننا سننجده نفسه بغض النظر عن كمينة المناء فني الكنأس ،يعنرف الضنغط عنند ذلنك باسنم الضنغط البخناري للمناء عنند تلنك الدرجة .ينطبق األمر نفسه علنى السنوائل األخنرى ولكنن بنالطبع سنيكون لكنل سنائل ضنغط بخناري خناص بنه. شكل ( : )41يوضح كيفية تكوين الضغط البخاري ويتراوح الضغط البخاري للماء بين 4.6مم زئبق عند درجنة حنرارة صنفر 0م حتى 92.5مم زئبق عند درجة حرارة 0 50م و 760مم زئبق عند100 0م . و -الرطوبة النسبية )Relative humidity (RH تعرف الرطوبة النسبية على إنها النسبة بين الضغط البخارى الفعلى فى الهواء eالى الضغط البخارى المشبع eoوعادة تكتب هكذا : RH = (e /eo) 100 وتعتمد الرطوبة النسبية على درجة الحرارة وبالتالى يجب تقدير أو قياس كل من eoو eعند نفس درجة الحرارة . ز -نقص التشبع )Saturation Deficit ( SD يعبر عن الفرق بين الضغط التجارى المشبع eoوالضغط البخارى الفعلى eوهكذا . SD = eo - e ح -نقطة الندى Dew point هى درجة الحرارة والتى يكون عندها الهواء مشبع ببخار الماء ويبدأ هذا البخار فى التكثف إلى الصورة السائلة.ويمكن معرفة الرطوبة النسبية RHإذا ماعرفت كل من درجة حرارة الهواء ودرجة حرارة الهواء عند نقطة الندى من جداول خاصه لذلك(. راجع مقرر الفيزياء العملية بالسنة األولى) . Vapor pressure of salt ط-الضغغط البخغارى لملاليغال اح غ solution عننند إضننافة ملننح لننه درجننة ذوبننان عاليننه فننى المنناء فننإن الضننغط البخننارى للمحلننول يكننون أقننل مننن الضننغط البخننارى للمنناء النقننى .ويمكننن حسنناب النسبة بين هنذين الضنغطين ،بإسنتخدام قنانون را لنت Raoult's law كاالتى : )e/ep=Nw /(Nw + Ns حيث = eالضغط البخارى للمحلول الملحى . = epالضغط البخارى للماء النقى . = Nwعدد موالت الماء (وزن الماء /الوزن الجزئ للماء). = Nsعدد موالت الملح (وزن الملح /الوزن الجزئ للملح). وطبقا للمعادلة السابقة فإن إضافة ملح إلى التربة يخفض من ضنغط بخنار المنناء أى ان طاقننة حركننة جزئيننات المنناء تنننخفض فنني وجننود االمنن ح الذائبة. مثال: لديك محلول يحتوي 20مول من الماء و 0.5مول من السكر.احسب الضغط البخاري للمحلول السكري .علما بان الضغط البخاري للماء النقي عند 16.7 درجة مئوية= 163.8مم زئبق. الحل Nw=20 mol Ns=0.5 mol ep=163.8 mmHg e/ep=Nw /(Nw + Ns)=20/(20+0.5)=0.98 e= 163.8x0.98=160.5 mm Hg ك -الضغط األسموزى Osmotic pressure شكل :يوضح فكرة عمل جهاز الـ Osmometer Osmotic Force Water movement across semi-permeable membrane H H O O H H H H O K+ O H H H O H H O H H H O O H H H Cl- O H ولقد أقترح Van't Hoffعالقة لحساب الضغط األسموزى P كدالة لتركيز الملح المخفف ودرجة الحرارة كاألتى : P = Ns R T/ V حيث ان : = Pالضغط األسموزى (جوى). = Nsعدد موالت الملح المذاب. = Vحجم المذيب الماء (لتر). = Rثابت الغازات العام ( 0.082لتر.جوى /درجة حرارة مطلقة) = Tدرجة الحرارة المطلقة ( + 273الدرجة المئوية ( مثال :لديك محلول ملحى حجمه 1لتر وعدد الموالت به 1مول .إحسب الضغط اإلسموزى عند درجة حرارة صفر مئوى الحل P = Ns R T/ V P= 1x (0 +273) x 0.082 /1 = 22.4 atm. مثال: لديك محلول كلوريد الصوديوم NaClبتركيز 1موالر عند درجة حرارة صفر مئوى ،إحسب الضغط األسموزى لهذا المحلول . الحل المحلووول يحتوووى كلوريوود الصوووديوم وهووذا يتوولين توولين كاموول إل وى 1 مووول موون الصوووديوم و 1مووول موون الكلوريوود.لووذا يجووب أخووذ فووى األعتبار تعديل عدد الموالت فى معادلة van't Hoffوهو فوى هوذ الحالة 2مول. P= Ns R T/ V P = 2 x 0.082 x (0+ 273)/1 = 44.77 atm ل -التوتر السطحى Surface tension شووكل ( :)43جزئيووات الموواء عنوود السووطح تكووون مرتبطووة مو بعضووها بقوووة (عدد 2رابطة) اكبر من الجزئيات الداخلية بالماء عدد 1رابطة فقط). شكل ( :)44تلثير درجة الحرارة علي قيم التوتر السطحي للماء عندما ينخفض التوتر السطحي للماء تزداد قدرة الماء علي ابتالل السطح.ولذل نجد ان الماء الساخن له القدرة علي تنظيف المالبس الن التوتر السطحي له اقل من التوتر السطحي للماء البارد. Capillary rise اإلرتفاع الشعرى- م Fdownward =.r.r.h..g )h= 2 T cos / (gr ان حيث = rنصف قطر األنبوبة الشعرية (سم). = زاوية التالمس بين السائل وجدار األنبوبة . =Tمعامل التوتر السطحى (داين /سم). = hطول عمود الما ء (سم). = كثافة الماء (جم /سم.)3 = gعجلة الجاذبية األرضية ( سم /ث)2 )h = 2 T/ (gr حيث ان 0.0 =درجة وإذا ماأخذت 72.75 = Tداين /سم 981= g ،سم /ث، 2 1= جم /سم 3فإنه يمكن تبسيط المعادلة السابقة إلى: h=0.15 / r شكل ( :)46العالقة بين نصف قطر االنابيب الشعرية واالرتفاع الشعري. نظرا الن التربة الرملية بها فراغات ذات قطر كبير فنجد ان االرتفاع الشعري بها صغير. لديك تربة رملية متوسط أقطار الفراغات بها 500ميكرون. إحسب اإلرتفاع الشعرى لتلك التربةعند درجة حرارة 20 مئويه. الحل 72.75= Tداين /سم 981= g ،سم /ث1= , 2جم /سم3 (تقريبا) عند 20درجة مئوية وقطر الفراغات 500/10000 ) )cmونصف القطر ()250/10000 cm h=0.15 / r =0.15x10000/(250)= 6 cm حالة الماء األرضى Soil water status يعبر عن حالة الماء األرضى سواء كنسبة كتلية أو كنسبة حجمية أو يعبر عنه بواسطة جهد .potential m=(mw-md)/md حيث ان: = mنسبة الماء إلى كتلة التربة الجافة فى الفرن = mwكتلة عينة التربة المبتلة أو الرطبة = mdكتلة عينة التربة الجافة فى الفرن على درجة 0 105م. ويعبر عن كمية الماء كذلك بالنسبة إلى حجم التربة كالتالى: v= m a/w : حيث (جم/سم3 = aكثافة التربة الظاهرية =كثافة الماء (جم/سم3 w =vنسبة الرطوبة منسوبة إلى حجم التربة الظاهري. ويعبر عن المحتوى الرطوبى بالتربة كذلك فى صورة إرتفاع عمود الماء فإذا كان عمق قطاع التربة Dوالمحتوى الرطوبى على اساس الحجم v فان كمية الماء dتساوى d=Dv حيث = dارتفاع عمود الماء (سم) = Dارتفاع عمود التربة (سم جهد الماء األرضى Soil water potential يعبر جهد الماء األرضى عن طاقة الماء فى صورتين من صور الطاقة : potential الطاقة الحركية Kinetic energyوطاقة الوض energy مكونات جهد الماء األرضى يعرف جهد الماء األرضى بلنه الشغل الالزم لنقل كمية من الماء من حالة قياسية (جهد الماء عندها يساوى صفر ) إلى حالة أخرى.والحالة القياسية تعتبر سطحا للماء الحر حالة التربة مشبعة t=o +p +g t=o +m +g حالة التربة غير مشبعة جهد الضغط )(p جهد الجاذبية ((g (m(matric potential بجهد اإلدمصاص الجهد األسموزى (o ) Osmotic potential جهد الماء يعبر عنه بعدة وحدات مشتقة من تعريف الجهد.اذا كان الجهد يعبر عن طاقة الماء بالنسبة لوحدة الكتل فان وحدة جهد الماء هي: Energy /mass = J/kg اذا كان الجهد يعبر عن طاقة الماء بالنسبة لوحدة الحجوم فان وحدة جهد الماء هي: Energy/volume = dyne.cm /cm3 = bar اذا كان الجهد يعبر عن طاقة الماء بالنسبة لوحدة الوزن فان وحدة جهد الماء هي: Energy / weight = cm of water الوحدات الث ثة السابقة مرتبطة مع بعضها ويمكن التحويل من وحدة الخري.فإذا كان جهد الماء بالنسبة لوحدة الوزن يساوى hمتر عمود ماء فإن: = h x 9.8 J/Kg = h x 0.098 bar صور الماء األرضى Forms of soil water طبقا لقيمة جهد الماء األرضى ودرجة يسر الماء تمتصاصه بواسطة النبات أمكن تقسيم الماء األرضى إلى عدة صور هى: - 1ماء غير ميسر للنبات وهو يمثل الماء المرتبط بسطح حبيبات التربة بقوة أكبر من 15بار أو جهد أقل من 15 -بار. -2ماء ميسر للنبات وهو الماء المرتبط بقوة مسك ما بين 15إلى 1/3بار أو جهد الماء بين 15-إلي 1/3 -بار. -3ماء الجاذبية ( ماء الصرف ) وهو الماء المرتبط فى الفراغات الواسعه ومرتبط بقوه من 1/3بار إلى صفر بار أو جهد الماء به مابين صفر الى 1/3 -بار. -4ماء حر وهو الماء الموجود على سطح التربة المشبعة والذى اليرتبط بسطح التربة ويكون جهده أكبر من صفر بار Saturation Gravitational water Field capacity Rapid drainage Available moisture Capillary water Slow drainage Permanent wilting Hygroscopic water Unavailable moisture Essentially no drainage شكل ( )47يوضح العالقة بين المحتوي الرطوبي للتربة وجهد الشد الرطوبي استنتاج اهم ثوابت الرطوبة من منحني الشد الرطوبي - 1المعامل الهيجروسكوبى hygroscopic water المعامل الهجروسكوبي هو يمثل المحتوى الرطوبى عند تعريض التربة لجهد مقداره 31 -بار - 2نقطة الذبول المستديم Permanent wilting percentageوتمثل هذ النقطة المحتوى الرطوبى بالتربة التى عندها يبدأ ذبول النبات ( 15 -بار) - 3السعة الحقلية field capacity ( وهى عبارة عن المحتوى الرطوبى الذى تحتفظ به التربة بعد ريها أو غمرها بيومين ( ارض رملية ) او ث ثة ( ارض طينية ) 3/1 -بار( 3.14 Soil Water: Classification and Availability Physical classification Biological classification 0 gravitational unavailable (drainage) -0.3 available (bars) capillary -15 unavailable -30 vapor values are only semiquantitative جنندول ( )33يوضننح قننيم كننل مننن المنناء الميسننر لنمننو النبننات فننى أنننواع أراضى مختلفة القوام. قوام التربة الماء الميسر (بوصة/قدم عمق من التربة) Coarse sand 0.25-0.75 Fine sand 0.75-1.0 Loamy sand 1.10-1.20 loam 1.25-1.40 Fine sandy loam 1.50-2.00 Silt loam 2.00-2.50 Silty clay loam 1.80-2.00 Cilty clay 1.50-1.70 clay 1.20-1.50 Saturation percentage -4نسبة التشبع)( sat تعرف السعة التشبعية بأنها المحتوى الرطوبى بالتربة عندما يكون كل الفراغات البينية مملؤة بالماء وعادة تؤخذ السعة الحقلية بإنها 1/2نسبة التشبع وتؤخذ نقطة الذبول المستديم بإنها 1/4نسبة التشبع. Degree of saturation -5درجة التشبع تمثل درجة التشبع بإنها المحتوى الرطوبى منسوبا إلى نسبة التشبع. وتحسب من المعادلة التالية S= (/sat) 100 حيث ان = Sتمثل درجة التشبع وعموما تتوقف ثوابت الرطوبة أو صور الماء السابق ذكرها على قوام التربة والكثافة الظاهرية للتربة وبناء التربة. مثننال -لننديك عينننة تربننة المحتننوي الرطننوبي لهننا علنني اسنناس الكتلننة 0.15والكثافننة الظاهرية . 1.2 g/cm3احسنب المحتنوي الرطنوبي علني اسناس الحجنم ومناهي كمية المياة في قطاع تلك التربة بعمق 50 cm الحل المحتوي الرطوبي علي اساس الحجم v v= m a/w=0.15x1.2/1=0.18 cm3/cm3 كمية الماء في قطاع التربة d d=D.v=50x0.18=9 cm