土壌物理学と水分関係

土壌物理学は、土壌の物理的状態と挙動、特に水がどのように保持され、間隙ネットワークを移動するか、固形骨格がどのように構造化されているか、そして熱と空気がその中でどのように移動するかを研究します。

Definition

土壌物理学は、土壌の物理的特性とプロセス、特に土壌固形物とその間隙空間によって形成される多孔質媒体における水、空気、熱の保持と輸送に関する研究です。

Scope

この分野は、土壌水の貯蔵とエネルギー状態、浸潤と不飽和流による水の移動、土壌構造と空隙率の構造、および熱とガスの輸送を扱います。土壌を固形物、水、空気の三相多孔質媒体として扱い、灌漑、排水、植物への水分供給の物理的基礎を提供します。ここでは、地下水や地表水文学と区別するために、土壌-水分関係として定義されています。

Sub-topics

• Soil Structure and Porosity
• Soil Temperature and Aeration
• Soil Water Content and Potential
• Soil Water Movement and Infiltration

Core questions

• 水は土壌中にどのように保持され、そのエネルギー状態はどのように記述されますか？
• 水は不飽和土壌にどのように浸潤し、移動しますか？
• 土壌構造と空隙率は、貯蔵と流れをどのように支配しますか？
• 熱と空気は土壌中をどのように移動し、根や微生物に影響を与えますか？

Key concepts

• 土壌水ポテンシャル（マトリック、重力、浸透圧）
• 水分保持曲線
• 圃場容水量と萎凋点
• 透水係数
• 浸潤と不飽和流
• 空隙率、かさ密度、通気性

Key theories

土壌水ポテンシャル

土壌水のエネルギー状態は、重力、マトリック、浸透圧成分の合計である総ポテンシャルによって記述され、これにより水の移動方向と植物への利用可能性が決定されます。

不飽和流のリチャーズ方程式

リチャーズは、不飽和土壌における質量保存則とダルシーの法則を組み合わせ、透水係数が含水率に強く依存する偏微分方程式を導き出しました。これは定量的土壌-水分動態の基礎となっています。

三相多孔質媒体

土壌の挙動は、固形物、水、空気の相対的な割合と配置によって支配されます。土性や構造によって決まる間隙サイズ分布は、水分保持、排水、通気、熱の流れを制御します。

Clinical relevance

土壌物理学は、農業と環境のための水管理の基盤となります。土壌が植物のためにどれだけの水を貯蔵できるか、どれだけ速く浸潤し排水されるか、灌漑と排水をどのように設計すべきか、そして締固めと構造損失が根の成長をどのように阻害し、流出と侵食を増加させるかを決定します。

History

定量的土壌物理学は、20世紀初頭のバッキンガムによる毛管ポテンシャルの概念、リチャーズによる1931年の不飽和流方程式、および世紀半ばの水分保持と圃場容水量に関する研究から発展しました。ヒレルの著書は、土壌-水分物理学と植物の成長および環境プロセスを結びつけ、この分野を統合しました。

Key figures

• Daniel Hillel
• Lorenzo A. Richards
• Edgar Buckingham

Seminal works

• hillel1998
• richards1931
• brady2016

Frequently asked questions

なぜ砂質土壌は粘土質土壌よりも早く乾燥するのですか？

砂質土壌は大きな間隙を持ち、重力によってすぐに排水され、水をほとんど保持しません。一方、粘土質土壌は多くの細かい間隙を持ち、毛管力と表面力によって水を保持するため、粘土は植物が利用できる水をより多く貯蔵し、よりゆっくりと乾燥します。

土壌水ポテンシャルとは何を意味しますか？

土壌水ポテンシャルは、土壌中の水の自由水に対するエネルギー状態を測定します。水は高ポテンシャルから低ポテンシャルへ移動し、ポテンシャルがより負であるほど、水はより強く保持され、植物はそれを抽出するためにより多くの労力を要します。