Физика почв и водные отношения
Физика почв изучает физическое состояние и поведение почвы, особенно то, как вода удерживается и движется через поровую сеть, как структурирован твердый каркас, а также как тепло и воздух перемещаются внутри нее.
Definition
Физика почв — это изучение физических свойств и процессов почв, в частности удержания и переноса воды, воздуха и тепла в пористой среде, образованной твердыми частицами почвы и их поровыми пространствами.
Scope
Эта область охватывает хранение и энергетическое состояние почвенной воды, движение воды путем инфильтрации и ненасыщенного потока, архитектуру почвенной структуры и пористости, а также перенос тепла и газов. Она рассматривает почву как трехфазную пористую среду из твердых частиц, воды и воздуха и обеспечивает физическую основу для орошения, дренажа и водоснабжения растений, что здесь квалифицируется как почвенно-водные отношения, чтобы отличить это от грунтовых вод и поверхностной гидрологии.
Sub-topics
Core questions
- Как вода удерживается в почве и как мы описываем ее энергетическое состояние?
- Как вода инфильтрируется и движется через ненасыщенную почву?
- Как структура и пористость почвы регулируют хранение и поток?
- Как тепло и воздух движутся через почву и влияют на корни и микробы?
Key concepts
- Потенциал почвенной воды (матричный, гравитационный, осмотический)
- Кривая водоудержания
- Полевая влагоемкость и точка завядания
- Гидравлическая проводимость
- Инфильтрация и ненасыщенный поток
- Пористость, объемная плотность и аэрация
Key theories
- Потенциал почвенной воды
- Энергетическое состояние почвенной воды описывается ее общим потенциалом, суммой гравитационной, матричной и осмотической составляющих, который определяет, будет ли вода двигаться и в каком направлении, а также насколько она доступна для растений.
- Уравнение Ричардса для ненасыщенного потока
- Ричардс объединил закон Дарси с законом сохранения массы для ненасыщенной почвы, получив дифференциальное уравнение в частных производных, в котором гидравлическая проводимость сильно зависит от содержания воды, что является основой количественной динамики почвенной воды.
- Трехфазная пористая среда
- Поведение почвы определяется относительными пропорциями и расположением твердых частиц, воды и воздуха; распределение пор по размерам, задаваемое текстурой и структурой, контролирует водоудержание, дренаж, аэрацию и тепловой поток.
Clinical relevance
Физика почв лежит в основе управления водными ресурсами для сельского хозяйства и окружающей среды: она определяет, сколько воды почва может хранить для растений, как быстро она инфильтруется и дренируется, как следует проектировать орошение и дренаж, а также как уплотнение и потеря структуры ухудшают рост корней и увеличивают поверхностный сток и эрозию.
History
Количественная физика почв выросла из концепции капиллярного потенциала, предложенной Бакингемом в начале 20 века, уравнения Ричардса 1931 года для ненасыщенного потока и работ середины века по удержанию воды и полевой влагоемкости. Тексты Хиллеля синтезировали эту область, связывая физику почвенной воды с ростом растений и экологическими процессами.
Key figures
- Daniel Hillel
- Lorenzo A. Richards
- Edgar Buckingham
Related topics
Seminal works
- hillel1998
- richards1931
- brady2016
Frequently asked questions
- Почему песчаная почва высыхает быстрее, чем глинистая?
- Песчаные почвы имеют крупные поры, которые быстро дренируются под действием силы тяжести и удерживают мало воды против нее, тогда как глинистые почвы имеют много мелких пор, которые удерживают воду за счет капиллярных и поверхностных сил, поэтому глины хранят больше доступной для растений воды и высыхают медленнее.
- Что означает потенциал почвенной воды?
- Потенциал почвенной воды измеряет энергетическое состояние воды в почве относительно свободной воды; вода движется от более высокого к более низкому потенциалу, и чем более отрицателен потенциал, тем сильнее вода удерживается и тем труднее растениям ее извлекать.