RESEARCH PAPER
The physical status of the soil described as disordered medium: water retention characteristics
 
More details
Hide details
1
Instytut Agrofizyki PAN, ul. Doświadczalna 4, 20-290 Lublin 27
Publication date: 2020-04-30
 
Acta Agroph. 1998, (11), 5–100
 
KEYWORDS
ABSTRACT
The description of soil solid phase structure is a key factor to understand mutual interactions of soil components: solid particles, soil solute and soil air. The model for description of the soil disordered solid phase based on the statistical theory of disordered media has been proposed. The model can be used for water retention curves modeling from known grain size distribution and bulk density data of the soil. It can be also developed further to predict some mechanical properties of the soil especially those which are water content dependent. The model bases on a statistical description of the disordered, granular medium using radial distribution functions. The method of calculation of the mean value of the water has been proposed for calculation of volumetric water content of the soil sample from the water binding model in lenses between pairs of spherical particles. Both models combined and simplified are used in practical model for calculation of the water content of soil from its grain size distribution and bulk density. Numerical verification of proposed models was conducted with number of soils. It was observed a good agreement of calculated and measured values for prevailing number of soil samples. The standard deviation observed for 39 different soil samples is below of 6% of volumetric moisture. Calculated curves preserve similarity to measured values over the broad range of grain size distribution variability.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Opis stanu fizycznego gleby jako ośrodka nieuporządkowanego na przykładzie krzywych retencji wody
model retencji wody w glebie, opis struktury gleby, wiązanie wody w glebie w mikroskali
Modele retencji i przepływu wody w glebie są istotnym składnikiem wiedzy o środowisku otaczającym człowieka. Fizyczne i chemiczne właściwości wody powodują, że modyfikuje ona wszystkie zjawiska zachodzące w glebie. Począwszy od rozpuszczania niemal wszystkich substancji i ich przenoszenia w roztworze, poprzez modyfikację własności hydrofizycznych, mechanicznych i termicznych, woda w glebie wyznacza jej faktyczne właściwości. Większość parametrów fizycznych gleby może być modyfikowana poprzez regulację uwilgotnienia. Optymalizacja stosunków wodnych panujących w glebie zmierza przede wszystkim do stworzenia najlepszych, pod względem fizycznym, biologicznym i ekonomicznym, warunków wzrostu i rozwoju roślin. Można więc powiedzieć, że obecność wody w glebie określa i wyznacza wszystkie ważne jej funkcje. Poznanie wodnych właściwości gleb jest więc podstawowym warunkiem do zrozumienia i opisu jej pozostałych funkcji. Na podstawie uzyskanej wiedzy możliwa jest konstrukcja modeli wielu procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych, które opisują przepływ i wiązanie wody i soli w glebie. Modele takie umożliwiają symulację wiązania i przepływu wody, degradacji i przenoszenia składników pokarmowych i zanieczyszczeń, a zatem symulację najważniejszych funkcji gleby. Planowanie czy efektywne działanie w rolnictwie nie jest możliwe bez użycia podstawowych modeli: zużycia wody, plonowania roślin, czy też wpływu zmian klimatu na produktywność roślin. Wiarygodne użycie modeli w skali pola uprawnego i większych obszarów, ograniczone jest aktualną dostępnością danych zarówno o właściwościach roślin jak i gleby. Postęp w technice komputerowej umożliwił modelowanie procesów agrofizycznych na niespotykaną dotychczas skalę. Z dużą ostrością ujawnił się więc problem zapewnienia danych dla modeli. Dokładność modelowania zależy w dużym stopniu od tego, jak dokładnie potrafimy zmierzyć lub przewidzieć parametry fizyczne gleby w warunkach pola uprawnego. Wzrasta więc znaczenie metod estymacji parametrów fizycznych gleb, na podstawie znanych, stałych lub wolnozmiennych ich charakterystyk, które mogą być zmierzone raz a wykorzystane wielokrotnie po uzupełnieniu o proste pomiary aktualnego stanu gleby na polu uprawnym. Szczególnie istotnymi z punktu widzenia modelowania komputerowego są para¬metry hydrofizyczne gleb: zależność energii wiązania wody w glebie od wilgotności (krzywa retencji wody krzywa pF), oraz zależność przewodnictwa wodnego od wilgotności lub potencjału wody glebowej. Te dwie charakterystyki w sposób kluczowy wpływają na dokładność wyników modelowania, są jednak kosztowne i trudne do uzyskania. Wysokie koszty pomiarów hydrofizycznych charakterystyk gleb w połączeniu z czasochłonnością pomiarów skłaniają do poszukiwania metod ich estymacji. Ze względu na wewnętrzną złożoność potraktowano tu glebę, która jest ośrodkiem żywym i zmiennym, w sposób uproszczony tak by możliwe było wyciąganie wniosków z małej liczby jej najważniejszych parametrów. Uznano, że gleba jest ośrodkiem trójfazowym złożonym z cząstek stałych o różnych wymiarach i kształtach rozłożonych w przestrzeni w sposób nieuporządkowany, roztworu glebowego o zmiennym składzie, zwilżającego części stałe gleby, oraz składowej gazowej o składzie mogącym znacznie odbiegać od składu powietrza atmosferycznego. Charakterystyczną cechą fazy stałej gleby jest jej bezładne rozłożenie w zajmowanej przez glebę przestrzeni. Rozłożenie to spowodowane jest wzajemnymi oddziaływaniami pomiędzy poszczególnymi składnikami gleby. Główne siły jakie należy wyróżnić w tym kontekście to: siła grawitacji oddziałująca na wszystkie składniki gleby, proporcjonalna do ich masy i skierowana pionowo w dół, siły adhezji działające pomiędzy cząsteczkami wody glebowej i cząstkami fazy stałej oraz siły oddziaływania cząstek stałych na siebie, przeciwdziałające przemieszczeniom cząstek ku sobie w przypadku wystąpienia ich mechanicznego kontaktu. Do opisu nieuporządkowanego ośrodka ziarnistego jakim jest gleba, zastosowano opartą na założeniach statystyki, teorię ośrodków ziarnistych, a w szczególności teorię radialnych funkcji rozkładu. Zaproponowany opis krzywych retencji wody gleb wynika z opisu fizycznego retencji wody pomiędzy ziarnami fazy stałej, a po zastosowaniu odpowiedniej metody uśredniania daje w wyniku wilgotność reprezentatywną dla makroskopowych próbek gleby. Tutaj za makroskopowe uznaje się próbki o objętości 100 cm3 jakich używa się do standardowych oznaczeń laboratoryjnych, a skala mikroskopowa wyznaczona jest rozmiarami ziaren fazy stałej w glebie. W związku z mikroskopowym podejściem do analizy krzywych retencji wody należy podkreślić fakt, że woda w glebie w zakresie potencjałów tu rozważanych gromadzi się głównie w pobliżu miejsc gdzie cząstki stałe stykają się ze sobą. Fakt ten ogólnie znany, i od dawna dobrze zrozumiany, jest jednak zaniedbywany w modelowaniu. Pojęcie soczewki wodnej odnoszące się do wody pomiędzy dwoma cząstkami stałymi nie znalazło właściwego miejsca w modelowaniu właściwości wodnych gleb i zwykle zastępowane jest definiowanym ad hoc na potrzeby każdego modelu, pojęciem "por" czy "kapilara glebowa". Właściwości wodne ośrodka modelowego zależeć muszą zatem od liczby par cząstek sąsiadujących ze sobą, a nie od liczby cząstek jak dotychczas zakłada się w modelowaniu właściwości fizycznych gleb.
eISSN:2300-6730
ISSN:1234-4125