Поровое пространство почвы содержит жидкую и газообразную фазы почвы , т. е. все, кроме твердой фазы , которая содержит в основном минералы различных размеров, а также органические соединения .
Для лучшего понимания пористости был использован ряд уравнений , выражающих количественное взаимодействие между тремя фазами почвы.
Макропоры или трещины играют важную роль в скорости инфильтрации во многих почвах, а также в предпочтительных схемах 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 .
Плотность сухого насыпного грунта во многом зависит от минерального состава, из которого состоит грунт, и от степени его уплотнения . Плотность кварца составляет около 2,65 г/см3 , но плотность сухого насыпного грунта может быть меньше половины этого значения.
Большинство почв имеют сухую объемную плотность от 1,0 до 1,6 г/см3 , но органическая почва и некоторые пористые глины могут иметь сухую объемную плотность значительно ниже 1 г/ см3 .
Образцы керна отбираются путем вдавливания металлического режущего лезвия в почву на желаемой глубине или почвенном горизонте . Затем образцы почвы высушиваются в печи (часто при 105 °C) до постоянного веса.
Плотность сухого насыпного материала почвы обратно пропорциональна ее пористости . Чем больше пор в почве, тем ниже ее плотность сухого насыпного материала.
или, в более общем случае, для ненасыщенной почвы, в которой поры заполнены двумя жидкостями — воздухом и водой:
Пористость — это мера общего порового пространства в почве. Она определяется как доля объема, часто указываемая в процентах . Величина пористости в почве зависит от минералов , из которых состоит почва, и от количества сортировки , происходящей в структуре почвы . Например, песчаная почва будет иметь большую пористость, чем илистая, потому что ил заполнит промежутки между частицами песка .
Гидравлическая проводимость (K) — это свойство почвы, описывающее легкость, с которой вода может перемещаться через поровые пространства. Она зависит от проницаемости материала (поры, уплотнение) и от степени насыщения. Насыщенная гидравлическая проводимость, K sat , описывает движение воды через насыщенную среду. Где гидравлическая проводимость может быть измерена в любом состоянии. Ее можно оценить с помощью многочисленных видов оборудования. Для расчета гидравлической проводимости используется закон Дарси . Манипулирование законом зависит от насыщенности почвы и используемого инструмента.
Инфильтрация — это процесс, посредством которого вода с поверхности земли проникает в почву. Вода проникает в почву через поры под действием сил гравитации и капиллярного действия . Самые большие трещины и поры представляют собой большой резервуар для первоначального притока воды. Это обеспечивает быструю инфильтрацию . Более мелкие поры заполняются дольше и полагаются на капиллярные силы, а также на силу тяжести. Более мелкие поры имеют более медленную инфильтрацию, поскольку почва становится более насыщенной .
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 размеров пор — это классификация Брюэра (1964): [1] [2] [3]
Поры, которые слишком велики, чтобы иметь какую-либо существенную капиллярную силу. Если им не препятствовать, вода будет вытекать из этих пор, и они, как правило, заполнены воздухом при полевой емкости . Макропоры могут быть вызваны растрескиванием, разделением стеблей и агрегатов , а также корнями растений и зоологическими исследованиями. [3] Размер >75 мкм. [4]
Самые большие поры заполнены водой при полевой вместимости . Также известны как поры хранения из-за способности хранить воду, полезную для растений. Они не имеют слишком больших капиллярных сил, так что вода не становится ограничивающей для растений. Свойства мезопор тщательно изучаются почвоведами из-за их влияния на сельское хозяйство и орошение . [3] Размер 30–75 мкм. [4]
Это «поры, которые достаточно малы, чтобы вода внутри них считалась неподвижной, но доступной для извлечения из растений». [3] Поскольку в этих порах мало движения воды, движение растворенных веществ происходит в основном за счет процесса диффузии. Размер 5–30 мкм. [4]
Эти поры подходят для обитания микроорганизмов. Их распределение определяется текстурой почвы и органическим веществом почвы , и они не сильно подвержены уплотнению. [5] [3] Размер 0,1–5 мкм. [4]
Поры, которые слишком малы для проникновения большинства микроорганизмов. Органическое вещество в этих порах, таким образом, защищено от микробного разложения. Они заполнены водой, если только почва не очень сухая, но мало этой воды доступно растениям, и движение воды очень медленное. [5] [3] Размер <0,1 мкм. [4]
Базовое моделирование трещин проводилось в течение многих лет путем простых наблюдений и измерений размера трещин, их распределения, непрерывности и глубины. Эти наблюдения либо проводились на поверхности, либо на профилях в ямках. Ручное отслеживание и измерение рисунков трещин на бумаге было одним из методов, использовавшихся до достижений в области современных технологий. Другой полевой метод заключался в использовании струны и полукруга из проволоки. [6] Полукруг перемещался вдоль чередующихся сторон струнной линии. Ширина, длина и глубина трещин внутри полукруга измерялись с помощью линейки. Распределение трещин рассчитывалось с использованием принципа иглы Бюффона .
Этот метод основан на том факте, что размеры трещин имеют диапазон различных водных потенциалов. При нулевом водном потенциале на поверхности почвы производится оценка насыщенной гидравлической проводимости , при этом все поры заполнены водой. По мере постепенного уменьшения потенциала более крупные трещины дренируются. Измеряя гидравлическую проводимость в диапазоне отрицательных потенциалов, можно определить распределение размеров пор. Хотя это не физическая модель трещин, она дает представление о размерах пор в почве.
Хорган и Янг (2000) создали компьютерную модель для создания двумерного прогноза образования поверхностных трещин. Она использовала тот факт, что как только трещины оказываются на определенном расстоянии друг от друга, они, как правило, притягиваются друг к другу. Трещины также имеют тенденцию поворачиваться в определенном диапазоне углов, и на определенном этапе поверхностный агрегат достигает размера, при котором больше не будет происходить растрескивание. Они часто характерны для почвы и, следовательно, могут быть измерены в полевых условиях и использованы в модели. Однако она не смогла предсказать точки, в которых начинается растрескивание, и хотя образование рисунка трещин является случайным, во многих отношениях растрескивание почвы часто не является случайным, а следует линиям слабости. [7]
Собирается большой образец керна. Затем он пропитывается аралдитом и флуоресцентной смолой . Затем керн очень постепенно (~1 мм за раз) обрезается шлифовальным инструментом, и на каждом интервале поверхность образца керна получает цифровое изображение. Затем изображения загружаются в компьютер, где их можно анализировать. Затем можно выполнить измерения глубины, непрерывности, площади поверхности и ряда других параметров трещин в почве.
Используя бесконечное сопротивление воздуха, можно картировать воздушные пространства внутри почвы. Специально разработанный измеритель сопротивления улучшил контакт между измерителем и почвой и, следовательно, область считывания. [8] Эта технология может использоваться для получения изображений, которые можно анализировать на предмет ряда свойств трещин.
