فيزياء التربة وعلاقات الماء
تدرس فيزياء التربة الحالة الفيزيائية للتربة وسلوكها، خاصة كيفية احتجاز الماء وتحركه عبر شبكة المسام، وكيفية هيكلة الإطار الصلب، وكيفية تحرك الحرارة والهواء داخلها.
Definition
فيزياء التربة هي دراسة الخصائص والعمليات الفيزيائية للتربة، وخاصة احتجاز ونقل الماء والهواء والحرارة في الوسط المسامي الذي تشكله المواد الصلبة للتربة ومساحات مسامها.
Scope
يغطي هذا المجال تخزين الماء في التربة وحالته الطاقية، وحركة الماء عن طريق الارتشاح والتدفق غير المشبع، وهندسة بنية التربة ومساميتها، ونقل الحرارة والغازات. يعالج التربة كوسيط مسامي ثلاثي الأطوار يتكون من مواد صلبة وماء وهواء، ويوفر الأساس الفيزيائي للري والصرف وإمداد النباتات بالماء، وهو ما يُصنف هنا كعلاقات التربة بالماء لتمييزه عن المياه الجوفية والهيدرولوجيا السطحية.
Sub-topics
Core questions
- كيف يُحتجز الماء في التربة، وكيف نصف حالته الطاقية؟
- كيف يرتشح الماء ويتحرك عبر التربة غير المشبعة؟
- كيف تتحكم بنية التربة ومساميتها في التخزين والتدفق؟
- كيف تتحرك الحرارة والهواء عبر التربة وتؤثر على الجذور والميكروبات؟
Key concepts
- جهد ماء التربة (المصفوفي، الجاذبي، الأسموزي)
- منحنى احتجاز الماء
- السعة الحقلية ونقطة الذبول
- الموصلية الهيدروليكية
- الارتشاح والتدفق غير المشبع
- المسامية، الكثافة الظاهرية، والتهوية
Key theories
- جهد ماء التربة
- تُوصف الحالة الطاقية لماء التربة بجهده الكلي، وهو مجموع المكونات الجاذبية والمصفوفية والأسموزية، والذي يحدد ما إذا كان الماء سيتحرك وفي أي اتجاه، ومدى توفره للنباتات.
- معادلة ريتشاردز للتدفق غير المشبع
- جمع ريتشاردز قانون دارسي مع حفظ الكتلة للتربة غير المشبعة، مما أسفر عن معادلة تفاضلية جزئية تعتمد فيها الموصلية الهيدروليكية بشدة على محتوى الماء، وهو أساس ديناميكيات ماء التربة الكمية.
- وسط مسامي ثلاثي الأطوار
- يُحكم سلوك التربة بالنسب والترتيب النسبي للمواد الصلبة والماء والهواء؛ ويتحكم توزيع حجم المسام الذي تحدده القوام والبنية في احتجاز الماء، والصرف، والتهوية، وتدفق الحرارة.
Clinical relevance
تُعد فيزياء التربة أساسًا لإدارة المياه في الزراعة والبيئة: فهي تحدد كمية الماء التي يمكن للتربة تخزينها للنباتات، وسرعة ارتشاحها وتصريفها، وكيفية تصميم أنظمة الري والصرف، وكيف يؤثر الانضغاط وفقدان البنية على نمو الجذور ويزيد من الجريان السطحي والتعرية.
History
نشأت فيزياء التربة الكمية من مفهوم باكنغهام في أوائل القرن العشرين حول الجهد الشعري، ومعادلة ريتشاردز عام 1931 للتدفق غير المشبع، والعمل في منتصف القرن على احتجاز الماء والسعة الحقلية. قامت نصوص هيليل بتجميع هذا المجال، وربطت فيزياء التربة بالماء بنمو النباتات والعمليات البيئية.
Key figures
- Daniel Hillel
- Lorenzo A. Richards
- Edgar Buckingham
Related topics
Seminal works
- hillel1998
- richards1931
- brady2016
Frequently asked questions
- لماذا تجف التربة الرملية أسرع من التربة الطينية؟
- تحتوي التربة الرملية على مسام كبيرة تصرف الماء بسرعة تحت تأثير الجاذبية وتحتفظ بكمية قليلة منه، بينما تحتوي التربة الطينية على العديد من المسام الدقيقة التي تحتفظ بالماء بقوى شعرية وسطحية، لذا تخزن التربة الطينية المزيد من الماء المتاح للنباتات وتجف ببطء أكبر.
- ماذا يعني جهد ماء التربة؟
- يقيس جهد ماء التربة الحالة الطاقية للماء في التربة بالنسبة للماء الحر؛ يتحرك الماء من الجهد الأعلى إلى الأقل، وكلما كان الجهد أكثر سلبية، كلما كان الماء محتجزًا بإحكام أكبر وكلما كان على النباتات أن تبذل جهدًا أكبر لاستخراجه.