Υδάτινη φάση εδάφους

Γενικά στοιχεία

Η ύπαρξη νερού τροποποιεί την συμπεριφορά του εδάφους, επηρεάζοντας αρκετές ιδιότητές του, όπως την σταθερότητα της δομής, τη μικροβιακή δραστηριότητα, τη μετακίνηση θρεπτικών στοιχείων, ενώ αποτελεί μέσο εντός του οποίου πραγματοποιούνται χημικές αντιδράσεις. Επίσης με το νερό μετακινούνται εδαφικά υλικά σε άλλες θέσεις επηρεάζοντας επομένως την εδαφογενέση. Αντίθετα η ποσότητα νερού, που μπορεί να συγκρατήσει ένα έδαφος, εξαρτάται από εδαφικές ιδιότητες (π.χ μηχανική σύσταση και οργανική ουσία). Το νερό στο έδαφος προστιθέμενο είτε με φυσικό (βροχές) είτε με τεχνητό (αρδεύσεις) τρόπο δεν παραμένει ακίνητο. Δυνάμεις διαφόρων ειδών επιδρούν σ' αυτό και προκαλούν την κατακόρυφη κίνησή του και όχι μόνο. Η χρησιμότητα του εδαφικού νερού για τα φυτά είναι πολύ μεγάλη. Από το έδαφος τα φυτά παραλαμβάνουν νερό για να αντικαταστήσουν αυτό, που εξατμίζεται από τη φυλλική τους επιφάνεια ως συνέπεια των συνθηκών της ατμόσφαιρας. Η διαπνοή αποτελεί διαδικασία απαραίτητη, γιατί μόνο μέσω αυτής είναι δυνατό να αναπτυχθούν και να αποδώσουν οι καλλιέργειες. Επίσης από το εδαφικό διάλυμα, που περιέχει νερό και ιόντα ή μόρια διαφόρων ενώσεων, γίνεται κυρίως η πρόσληψη των απαραίτητων, για τα φυτά, θρεπτικών στοιχείων. Τέλος όλη η υπάρχουσα εδαφική υγρασία δεν είναι διαθέσιμη για τα φυτά.

Μηχανισμοί συγκράτησης νερού

Το νερό συγκρατείται μέσα στο έδαφος με δεσμούς υδρογόνου. Αυτοί ενώνουν τα θετικά υδρογόνα του μορίου του νερού με το αρνητικά φορτισμένο οξυγόνο καθώς και με τ' άλλα γειτονικά, αρνητικά και πάλι φορτισμένα ιόντα, που μπορεί όμως να είναι και οξυγόνα. Οι δεσμοί υδρογόνου μαζί με τη διπολικότητα, τον πλήρη διαχωρισμό θετικών και αρνητικών φορτίων στο μόριο του νερού, έχουν σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση δυνάμεων συνοχής, που συγκρατούν το ένα μόριο του νερού με το άλλο, και την εμφάνιση της συνάφειας ή προσρόφησης, με τις οποίες τα μόρια του νερού συγκρατούνται με τις επιφάνειες των ανόργανων και οργανικών συστατικών του εδάφους. Αποτελέσμα αυτών των δυνάμεων είναι αρχικά η προσρόφηση μορίων νερού από τις επιφάνειες των στερεών εδαφικών συστατικών και στη συνέχεια, λόγω της συνοχής, η δημιουργία μεμβρανών από νερό, που περιβάλλουν τους εδαφικούς κόκκους. Οι μεμβάνες αυτές αποτελούν ένα συνεχές σύστημα, το οποίο δημιουργείται κατά τη διαβροχή του εδάφους, ενώ στη συνέχεια, εφόσον προστεθεί αρκετή ποσότητα νερού, προκαλείται και κίνηση του νερού λόγω της βαρύτητας. Οι δυνάμεις συνοχής και συνάφειας έχουν ως αποτέλεσμα την εμφάνιση του φαινομένου της τριχοειδούς ανύψωσης του νερού, όταν αυτό βρίσκεται σε στενούς εδαφικούς πόρους. Το φαινόμενο οφείλεται στην έλξη, που εξασκείται στο νερό από τις επιφάνειες των εδαφικών τεμαχιδίων, αλλά και στην επιφανειακή τάση. Όσο πιο στενός είναι ο πόρος, τόσο πιο μεγάλη είναι και η ανύψωση. Στη περίπτωση μεγάλου πόρου (αύξηση της ακτίνας καμπυλότητας του σχηματιζόμενου υδάτινου μηνίσκου, έχουμε μίωση της τριχοειδούς ανύψωσης.

Η τριχοειδής ανύψωση εκδηλώνεται ως ανοδική κίνηση του νερού, χωρίς αυτό να σημαίνει βέβαια ότι δεν έχουμε κίνηση του νερού και προς άλλες διευθύνσεις, γιατί προφανώς οι δυνάμεις συνοχής και συνάφειας δρουν αμέσως με τη διαβροχή. Καθώς δηλαδή το νερό εισέρχεται στο έδαφος, η προσρόφηση και η συνοχή δημιουργούν μεμβράνες γύρω στους εδαφικούς κόκκους. Έπειτα, εφόσον συνεχίζεται η τροφοδότηση με νερό, έχουμε δημιουργία, ροής νερού και φαινόμενα τριχοειδούς ανύψωσης, ανάλογα με το μέγεθος των πόρων, που δικαιολογούν την προς τα πάνω κίνηση. Εκτός από την έλξη όμως του νερού από τα στερεά τεμαχίδια, από την οποία συμπεραίνεται ότι τα λεπτόκοκκα εδάφη (αργιλώδη) θα συγκρατούν περισσότερο νερό, δύο ακόμα δυνάμεις συνεισφέρουν στη συγκράτηση και κίνηση του νερού στο έδαφος. Αυτές είναι οι οσμωτικές και οι δυνάμεις βαρύτητας. Το εδαφικό νερό δεν είναι καθαρό, αλλά περιέχει διάφορα ιόντα και διαλυτές ενώσεις, που έλκουν μόρια νερού μέσω δυνάμεων, οι οποίες επειδή οφείλουν τη δημιουργία τους σε διαλυμένες ουσίες που δημιουργούν το γνωστό οσμωτικό φαινόμενο, ονομάζονται οσμωτικές δυνάμεις.

Έκφραση συγκράτησης νερού

Η περιγραφή των μηχανισμών συγκράτησης του νερού στο έδαφος εξηγεί εύκολα τους επόμενους ορισμούς, που επικρατούν για τη μέτρηση της έντασης του εδαφικού νερού.

Πίεση: Είναι η πίεση που απαιτείται για να εξέλθει κάποια ποσότητα νερού εκτός του εδάφους. Μονάδες μέτρησεις σε ατμόσφαιρες.

Αρνητική πίεση: Είναι αντίθετης της πίεσης (οι τιμές της πίεσης με αρνητικό πρόσημο) και εκφράζει μύζηση υγρασίας ή τάση.

pF κλίμακα: Εκφράζει τη δύναμη που απαιτείται για να εξέλθει νερό από ένα έδαφος σε cm ύψους μίας στήλης νερού διαμέτρου 1cm². Επειδή οι τιμές αυτές είναι πολύ μεγάλες χρησιμοποιείται ο δεκαδικός λογάριθμος των τιμών. Η κλίμακα pF έχει τιμές από 0 - 7, που αντιστοιχούν σε στήλη ύψους 1cm (= 0,001atm) και 10.000.000cm (= 10.000 atm) αντίστοιχα. Στην τιμή 7, το έδαφος στερείται πρακτικά νερού.

Δυναμικό νερού: Σε αντίθεση με τα προηγούμενα μεγέθη, τα οποία αναφέρονται σε πίεση, το δυναμικό του εδαφικού νερού αναφέρεται σε ενέργεια. Εκφράζει συγκεκριμένα τη μείωση της ελεύθερης ενέργειας του νερού¹², που είναι αποτέλεσμα των δυνάμεων, οι οποίες επενεργούν σ΄ αυτό και το δεσμεύουν. Ελεύθερο νερό σε δεξαμενή έχει την μεγαλύτερη ενέργεια, που θεωρείται ότι αντιστοιχεί σε δυναμικό ίσο με 0. Το εδαφικό νερό χαρακτηρίζεται από μικρότερη ελεύθερη ενέργεια με δυναμικό συνεπώς αρνητικό. Το δυναμικό του εδαφικού νερού όσο πιο ισχυρά συγκρατείται τόσο πιο αρνητικό είναι.

Ταξινόμηση εδαφικής υγρασίας

Φυσική Ταξινόμηση

Ανάλογα με τους μηχανισμούς συγράτησης της εδαφικής υγρασίας διακρίνουμε τα εξής είδη εδαφικού νερού:

Ελεύθερο νερό: Γεμίζει τους μεγάλους πόρους δια μέσου των οποίων κινείται με την επίδραση της βαρύτητας σε βαθύτερα σημεία. Προκαλεί απομάκρυνση συνήθως όλου του εδαφικού αέρα εμποδίζοντας την αναπνοή των ριζών και μικροοργανισμών, ενώ τροποποιεί αρκετές χημικές αντιδράσεις. Για αυτό το λόγο επιδιώκεται η απομάκρυνσή του μέσω στράγγισης. Αποτελεί επίσης μέσο μεταφοράς τόσο των θρεπτικών συστατικών, όσο και επιβλαβών ουσιών τα οποία μολύνουν τελικά υπογείως το νερό, ποτάμια κ.λ.π. Δεν χρησιμοποιείται από τα φυτά εκτός αν έχει παραμείνει στους εδαφικούς πόρους και αρκετός αέρας.

Τριχοειδές νερό: Συγκρατείται στους τριχοειδείς πόρους του εδάφους, στους πόρους δηλαδή που η διάμετρός τους (<10μm) επιτρέπει την εμφάνιση τριχοειδών φαινομένων. Συγκρατείται από το έδαφος με μυζητικές δυνάμεις, που έχουν τιμή από 1/3atm έως 31atm. Σε αυτή τη κατηγορία νερού ανήκει και αυτό, που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα φυτά.

Υγροσκοπικό νερό: Βρίσκεται μόνο γύρω από τους εδαφικούς κόκκους σε πολύ λεπτές στρώσεις. Συγκρατείται πολύ ισχυρά με μυζητικές δυνάμεις, που έχουν τιμή μεταξύ 31atm και 10.000atm. Βρίσκεται κυρίως σε μη υγρή μορφή και κινείται υπό μορφή υδρατμών. Δεν χρησιμοποιείται από τα φυτά.

Προσροφημένο νερό: Βρίσκεται στους ενδοκρυσταλλικούς χώρους των ορυκτών της μοντμοριλλονιτικής αργίλου και της ομάδας του βερμικουλίτη. Δεν κινείται και δεν μπορεί να διαχωριστεί εύκολα από το υγροσκοπικό νερό, γιατί ενώ με θέρμανση γύρω στους 300^oC απομακρύνονται όλα τα είδη της εδαφικής υγρασίας, με θέρμανση έως 104^oC φεύγει το σύνολο του υγροσκοπικού και μέρος του προσροφημένου νερού.

Βιολογική Ταξινόμηση

Η εξέταση του εδαφικού νερού από άποψη χρησιμοποιήσής του από τα φυτά και γενικά για γεωργικούς δηλαδή σκοπούς, οδηγεί στην περιγραφή των κατωτέρω εννοιών:

Νερό κορεσμού: Είναι η μεγαλύτερη ποσότητα νερού, που μπορεί να υπάρξει σε ένα έδαφος, μέσα σε όλους τους πόρους του. Το δυναμικό του νερού κορεσμού είναι θεωρητικά μηδέν.

Υδατοϊκανότητα: Είναι ένα μέτρο για το μέγιστο ποσό υγρασίας, που μπορεί να συγκρατήσει ένα έδαφος, μετά από ελεύθερη στράγγιση (λόγω βαρύτητας), αφού πρώτα έχει κορεσθεί από νερό. Στην πράξη ένα έδαφος βρίσκεται στην υδατοϊκανότητά του μετά από 1 - 2 ημέρες φυσικής στράγγισης, διάστημα, που εξαρτάται από αρκετούς παράγοντες, κυρίως όμως από τη μηχανική του σύσταση. Είναι προφανές ότι στην υδατοϊκανότητα διατηρείται ένα έδαφος για μικρό χρονικό διάστημα αφού οι απώλειες της εδαφικής υγρασίας συνεχίζονται. Το δυναμικό του νερού στην υδατοϊκανότητα ισούται με -33kPa, που αντιστοιχεί με πίεση ίση με 1/3 της ατμόσφαιρας. Σε αυτές τις τιμές η ποσότητα του εδαφικού νερού εξαρτάται από την κοκκομετρία, την περιεκτικότητα σε οργανική ουσία, τα κολλοειδή συστατικά και τα προσροφημένα εναλλακτικά κατιόντα. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι τα αμμώδη εδάφη, έχουν τιμές υδατοϊκανότητας περίπου 7%, ενώ τα αργιλώδη έχουν συνήθεις τιμές 40%.

Ισοδύναμη υγρασία: Είναι η υγρασία που συγκρατείται στα στερεά τεμαχίδια του εδάφους και απομακρύνεται, όταν ασκηθεί δύναμη χιλιαπλάσια της βαρύτητας (1.000g). Πρακτικά αυτό επιτυγχάνεται με φυγοκέντρηση (επί 30' σε 2.440 στροφές/min) ή με άσκηση αντίστοιχης πίεσης. Η ισοδύναμη υγρασία είναι κατά μεγάλη προσέγγιση ίση με την υδατοϊκανότητα του εδάφους στα εδάφη με μέση κοκκομετρική σύσταση. Στα αμμώδη εδάφη είναι μικρότερη, ενώ στα αργιλώδη μεγαλύτερη.

Σημείο μόνιμου μαρασμού: Αντιστοιχεί σε εδαφική υγρασία, που έχει δυναμικό -1.500kPa ή διαφορετικά σε ποσότητα νερού, που μένει σε ένα έδαφος, στο οποίο έχει ασκηθεί πίεση ίση με 15atm. Η δύναμη συγκράτησης της εδαφικής υγρασίας στο σημείο μόνιμου μαρασμού είναι τόσο μεγάλη, ώστε τα φυτλα δεν μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες τις ανάγκες της διαπνοής τους με προσρόφηση νερού από το έδαφος με αποτέλεσμα το μόνιμο μαρασμό (μη αναστρέψιμο το αποτέλεσμα με προσθήκη νερού). Το ποσοστό υγρασίας στο σημείο μόνιμου μαρασμού κυμαίνεται από 2% για τα αμμώδη εδάφη, έως 30% για τα βαριά αργιλώδη.

Διαθέσιμη υγρασία: Ορίζεται ως η διαφορά του ποσοστού υγρασίας, που αντιστοιχεί στην υδατοϊκανότητα και στο σημείο μόνιμου μαρασμού. Αυτό το ποσοστό επομένως εδαφικής υγρασίας μπορούν να το εκμεταλλευτούν τα φυτά. Το ποσοστό αυτό μπορεί να μεταφραστεί σε ποσότητα νερού, που μπορεί να προστεθεί μέσω άρδευσης. Είναι επομένως φανερό ότι η διαθέσιμη υγρασία αποτελεί ένα απαραίτητο μέγεθος για τον υπολογισμό αρδευτικών αναγκών.