Поровое пространство в почве

Поровое пространство почвы содержит жидкую и газовую фазы почвы , т. е. все, кроме твердой фазы , содержащей в основном минералы различных размеров, а также органические соединения .

Чтобы лучше понять пористость ряд уравнений , не использовался , выражающих количественные взаимодействия между тремя фазами почвы.

Макропоры или трещины играют важную роль в скорости инфильтрации во многих почвах, а также в предпочтительном характере потока, гидравлической проводимости и эвапотранспирации. Трещины также очень влияют на газообмен, влияя на дыхание в почвах. Таким образом, моделирование трещин помогает понять, как работают эти процессы и какое влияние на эти процессы могут оказать изменения в растрескивании почвы, такие как уплотнение.

Поровое пространство почвы может содержать среду обитания растений ( ризосферу ) и микроорганизмов .

Фон

Сухая объемная плотность

\rho _{dry}={\frac {M_{solid}}{V_{total}}}

Сухая плотность почвы в значительной степени зависит от минерального комплекса, слагающего почву, и от степени ее уплотнения . Плотность кварца составляет около 2,65 г/см. ³ но сухая объемная плотность почвы может быть меньше половины этого значения.

Большинство почв имеют объемную плотность сухого вещества от 1,0 до 1,6 г/см. ³ но органическая почва и некоторые пористые глины могут иметь объемную плотность в сухом состоянии значительно ниже 1 г/см. ³.

Образцы керна отбираются путем погружения металлической режущей кромки в почву на желаемую глубину или на нужную глубину . Затем образцы почвы сушат в печи (часто при 105 °C) до постоянного веса.

{\rm {{Dry\ bulk\ density}={\frac {\rm {(mass\ of\ oven\ dry\ soil)}}{\rm {(total\ sample\ volume)}}}}}

Сухая объемная плотность почвы обратно пропорциональна ее пористости . Чем больше порового пространства в почве, тем ниже ее объемная плотность в сухом виде.

Пористость

\eta ={\frac {V_{pore}}{V_{total}}}={\frac {V_{fluid}}{V_{total}}}

или, в более общем смысле, для ненасыщенной почвы, в которой поры заполнены двумя жидкостями: воздухом и водой:

\eta ={\frac {V_{air}+V_{water}}{V_{solid}+V_{air}+V_{water}}}

Пористость $\eta$ является мерой общего порового пространства в почве. Это определяется как доля объема, часто выражаемая в процентах . Степень пористости почвы зависит от минералов , входящих в ее состав, и от степени сортировки, происходящей в структуре почвы . Например, песчаная почва будет иметь большую пористость, чем илистый песок, потому что ил заполнит промежутки между частицами песка .

Отношения порового пространства

Гидравлическая проводимость

Гидравлическая проводимость (K) — это свойство почвы, которое описывает легкость, с которой вода может проходить через поровое пространство. Это зависит от проницаемости материала (пор, уплотнений) и от степени насыщения. Насыщенная гидравлическая проводимость K _sat описывает движение воды через насыщенную среду. Там, где гидравлическую проводимость можно измерить в любом состоянии. Его можно оценить с помощью многочисленных видов оборудования. Для расчета гидравлической проводимости закон Дарси используется . Манипулирование законом зависит от насыщенности почвы и используемого инструмента.

Проникновение

Инфильтрация – это процесс, при котором вода с поверхности земли попадает в почву. Вода поступает в почву через поры под действием сил гравитации и капиллярного действия . Крупнейшие трещины и поры представляют собой отличный резервуар для первоначального слива воды. Это обеспечивает быстрое проникновение . Порам меньшего размера требуется больше времени для заполнения, и они зависят от капиллярных сил, а также силы тяжести. Поры меньшего размера имеют более медленную инфильтрацию по мере того, как почва становится более насыщенной .

Типы пор

Пора – это не просто пустота в твердой структуре почвы. Различные категории размеров пор имеют разные характеристики и придают почвам разные свойства в зависимости от количества и частоты каждого типа. Широко используемая классификация размера пор принадлежит Брюэру (1964): ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Макропора

Поры слишком велики, чтобы иметь значительную капиллярную силу. Если не препятствовать этому, вода будет вытекать из этих пор, и они обычно заполнены воздухом на полную мощность . Макропоры могут быть вызваны растрескиванием, разделением стоп и агрегатов , а также корнями растений и зоологическими исследованиями. ^{[ 3 ]} Размер >75 мкм. ^{[ 4 ]}

Месопора

Крупнейшие поры заполнены водой на полную мощность . Также известны как накопительные поры из-за способности хранить воду, полезную для растений. У них не слишком большие капиллярные силы, поэтому вода не ограничивает растения. Свойства мезопор тщательно изучаются почвоведами из-за их влияния на сельское хозяйство и орошение . ^{[ 3 ]} Размер 30–75 мкм. ^{[ 4 ]}

Микропоры

Это «поры, которые достаточно малы, чтобы вода в этих порах считалась неподвижной, но доступной для экстракции растений». ^{[ 3 ]} Поскольку движение воды в этих порах незначительно, движение растворенных веществ происходит в основном за счет диффузии. Размер 5–30 мкм. ^{[ 4 ]}

Ультрамикропоры

Эти поры пригодны для обитания микроорганизмов. Их распределение определяется текстурой почвы и органическим веществом почвы , и уплотнение не оказывает на них большого влияния. ^{[ 5 ]}^{[ 3 ]} Размер 0,1–5 мкм. ^{[ 4 ]}

Криптопор

Поры слишком малы для проникновения большинства микроорганизмов. Таким образом, органическое вещество в этих порах защищено от микробного разложения. Они наполнены водой, если только почва не очень сухая, но растениям доступно мало этой воды, и движение воды очень медленное. ^{[ 5 ]}^{[ 3 ]} Размер <0,1 мкм. ^{[ 4 ]}

Методы моделирования

Базовое моделирование трещин проводилось в течение многих лет путем простых наблюдений и измерений размера, распределения, непрерывности и глубины трещин. Эти наблюдения проводились либо на поверхности, либо на профилях в карьерах. Ручное отслеживание и измерение структуры трещин на бумаге было одним из методов, использовавшихся до появления современных технологий. Другой полевой метод заключался в использовании веревки и полукруга проволоки. ^{[ 6 ]} Полукруг перемещался по чередующимся сторонам струнной линии. Трещины внутри полукруга измерялись по ширине, длине и глубине с помощью линейки. Распределение трещин рассчитывалось по принципу иглы Бюффона .

Пермеаметр диска

Этот метод основан на том факте, что размеры трещин имеют разный водный потенциал. оценка насыщенной гидравлической проводимости При нулевом водном потенциале на поверхности почвы производится , когда все поры заполнены водой. По мере того, как потенциал уменьшается, трещины большего размера осушаются. Измеряя гидравлическую проводимость в диапазоне отрицательных потенциалов, распределение пор по размерам можно определить . Хотя это не физическая модель трещин, она дает представление о размерах пор в почве.

Модель Хоргана и Янга

Хорган и Янг (2000) создали компьютерную модель для двумерного прогнозирования образования поверхностных трещин. Он использовал тот факт, что, когда трещины оказываются на определенном расстоянии друг от друга, они имеют тенденцию притягиваться друг к другу. Трещины также имеют тенденцию поворачиваться в определенном диапазоне углов, и на каком-то этапе поверхностный агрегат достигает размера, при котором растрескивание больше не происходит. Они часто являются характеристиками почвы и поэтому могут быть измерены в полевых условиях и использованы в модели. Однако он не смог предсказать точки, в которых начинается растрескивание, и, хотя образование трещин в почве случайное, во многих отношениях растрескивание почвы часто не случайно, а следует линиям слабых мест. ^{[ 7 ]}

Визуализация с пропиткой аралдитом

Отбирается большой образец керна. Затем его пропитывают аралдитом и флуоресцентной смолой . Затем керн очень постепенно (~ 1 мм за раз) разрезают с помощью шлифовального инструмента, и через каждый интервал поверхность образца керна получает цифровое изображение. Затем изображения загружаются в компьютер, где их можно проанализировать. Затем можно измерить глубину, непрерывность, площадь поверхности и ряд других измерений трещин в почве.

Электросопротивление визуализации

Используя бесконечное удельное сопротивление воздуха, можно нанести на карту воздушные пространства внутри почвы. Специально разработанный измеритель удельного сопротивления улучшил контакт датчика с почвой и, следовательно, увеличил площадь показаний. ^{[ 8 ]} Эту технологию можно использовать для создания изображений, которые можно проанализировать на предмет ряда свойств растрескивания.

См. также

Ссылки

^ Брюэр, Рой (1964). Тканевый и минеральный анализ почв . Хантингтон, Нью-Йорк: RE Krieger (опубликовано в 1980 г.). ISBN 978-0882753140 .
^ Чесворт, Уорд (2008). Энциклопедия почвоведения . Дордрехт, Нидерланды: Springer. п. 694. ИСБН 978-1402039942 . Проверено 2 июля 2016 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Комитет по терминам глоссария почвоведения (2008). Словарь терминов почвоведения 2008 . Мэдисон, Висконсин: Американское общество почвоведения. ISBN 978-0-89118-851-3 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Брюэр, Рой (1964). «[отрывок из таблицы]» (PDF) . Тканевый и минеральный анализ почв . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья . Проверено 28 июля 2020 г.
^ Jump up to: ^а ^б Малкольм Э. Самнер (31 августа 1999 г.). Справочник по почвоведению . ЦРК Пресс. п. А-232. ISBN 978-0-8493-3136-7 .
^ Рингроуз-Воас, Эй Джей; Санидад, ВБ (1996). «Метод измерения развития поверхностных трещин в почвах: применение к развитию трещин после низинного риса». Геодерма . 71 (3–4): 245–261. Бибкод : 1996Geode..71..245R . дои : 10.1016/0016-7061(96)00008-0 .
^ Хорган, ГВ; Янг, И.М. (2000). «Эмпирическая стохастическая модель геометрии двумерного роста трещин в грунте». Геодерма . 96 (4): 263–276. CiteSeerX 10.1.1.34.6589 . дои : 10.1016/S0016-7061(00)00015-X .
^ Самуэлян, А; Кузен, я; Ричард, Дж; Таббаг, А; Брюанд, А. (2003). «Электросопротивление для обнаружения растрескивания грунта в сантиметровом масштабе» . Журнал Американского общества почвоведения . 67 (5): 1319–1326. Бибкод : 2003SSASJ..67.1319S . дои : 10.2136/sssaj2003.1319 . S2CID 19535162 . Архивировано из оригинала 15 июня 2010 г.

Дальнейшее чтение

Фот, HD (1990). Основы почвоведения. (Уайли, Нью-Йорк)
Харпстед, Мичиган (2001). Почвоведение упрощено. (Издательство Университета штата Айова, Эймс)
Гилель, Д. (2004). Введение в физику почв. (Elsevier/Academic Press, Амстердам, Сидней)
Конке, Х. (1995). Почвоведение упрощено. (Waveland Press: Проспект-Хайтс, Иллинойс )
Липер, GW (1993). Почвоведение: введение. ( Издательство Мельбурнского университета , Карлтон, Виктория )

[1] Брюэр, Рой (1964). Тканевый и минеральный анализ почв . Хантингтон, Нью-Йорк: RE Krieger (опубликовано в 1980 г.). ISBN 978-0882753140 .

[2] Чесворт, Уорд (2008). Энциклопедия почвоведения . Дордрехт, Нидерланды: Springer. п. 694. ИСБН 978-1402039942 . Проверено 2 июля 2016 г.

[pore-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Комитет по терминам глоссария почвоведения (2008). Словарь терминов почвоведения 2008 . Мэдисон, Висконсин: Американское общество почвоведения. ISBN 978-0-89118-851-3 .

[pore_size-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Брюэр, Рой (1964). «[отрывок из таблицы]» (PDF) . Тканевый и минеральный анализ почв . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья . Проверено 28 июля 2020 г.

[Sumner1999-5] Jump up to: ^а ^б Малкольм Э. Самнер (31 августа 1999 г.). Справочник по почвоведению . ЦРК Пресс. п. А-232. ISBN 978-0-8493-3136-7 .

[6] Рингроуз-Воас, Эй Джей; Санидад, ВБ (1996). «Метод измерения развития поверхностных трещин в почвах: применение к развитию трещин после низинного риса». Геодерма . 71 (3–4): 245–261. Бибкод : 1996Geode..71..245R . дои : 10.1016/0016-7061(96)00008-0 .

[7] Хорган, ГВ; Янг, И.М. (2000). «Эмпирическая стохастическая модель геометрии двумерного роста трещин в грунте». Геодерма . 96 (4): 263–276. CiteSeerX 10.1.1.34.6589 . дои : 10.1016/S0016-7061(00)00015-X .

[8] Самуэлян, А; Кузен, я; Ричард, Дж; Таббаг, А; Брюанд, А. (2003). «Электросопротивление для обнаружения растрескивания грунта в сантиметровом масштабе» . Журнал Американского общества почвоведения . 67 (5): 1319–1326. Бибкод : 2003SSASJ..67.1319S . дои : 10.2136/sssaj2003.1319 . S2CID 19535162 . Архивировано из оригинала 15 июня 2010 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]