ฟิสิกส์ของดินและความสัมพันธ์ของน้ำในดิน
ฟิสิกส์ของดินศึกษาเกี่ยวกับสถานะทางกายภาพและพฤติกรรมของดิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีการที่น้ำถูกกักเก็บและเคลื่อนที่ผ่านเครือข่ายรูพรุน โครงสร้างของโครงร่างที่เป็นของแข็ง และการเคลื่อนที่ของความร้อนและอากาศภายในดิน
Definition
ฟิสิกส์ของดินคือการศึกษาคุณสมบัติและกระบวนการทางกายภาพของดิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการกักเก็บและการขนส่งน้ำ อากาศ และความร้อนในตัวกลางที่มีรูพรุนซึ่งเกิดจากอนุภาคของแข็งในดินและช่องว่างรูพรุน
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมถึงการกักเก็บและสถานะพลังงานของน้ำในดิน การเคลื่อนที่ของน้ำโดยการซึมผ่านและการไหลแบบไม่อิ่มตัว โครงสร้างของดินและรูพรุน รวมถึงการขนส่งความร้อนและก๊าซ โดยพิจารณาว่าดินเป็นตัวกลางที่มีรูพรุนสามเฟสประกอบด้วยของแข็ง น้ำ และอากาศ และเป็นพื้นฐานทางกายภาพสำหรับการชลประทาน การระบายน้ำ และการจัดหาน้ำให้พืช ซึ่งในที่นี้เรียกว่าความสัมพันธ์ของน้ำในดิน เพื่อแยกความแตกต่างจากน้ำใต้ดินและอุทกวิทยาผิวดิน
Sub-topics
Core questions
- น้ำถูกกักเก็บในดินได้อย่างไร และเราจะอธิบายสถานะพลังงานของน้ำได้อย่างไร?
- น้ำซึมผ่านและเคลื่อนที่ผ่านดินที่ไม่อิ่มตัวได้อย่างไร?
- โครงสร้างและรูพรุนของดินควบคุมการกักเก็บและการไหลของน้ำได้อย่างไร?
- ความร้อนและอากาศเคลื่อนที่ผ่านดินและส่งผลต่อรากพืชและจุลินทรีย์ได้อย่างไร?
Key concepts
- ศักย์น้ำในดิน (เมทริกซ์, แรงโน้มถ่วง, ออสโมติก)
- เส้นโค้งการกักเก็บน้ำ
- ความจุสนามและจุดเหี่ยวถาวร
- สภาพนำไฮดรอลิก
- การซึมผ่านและการไหลแบบไม่อิ่มตัว
- รูพรุน, ความหนาแน่นรวม, และการระบายอากาศ
Key theories
- ศักย์น้ำในดิน
- สถานะพลังงานของน้ำในดินอธิบายได้ด้วยศักย์รวม ซึ่งเป็นผลรวมขององค์ประกอบจากแรงโน้มถ่วง เมทริกซ์ และออสโมติก ซึ่งเป็นตัวกำหนดว่าน้ำจะเคลื่อนที่หรือไม่และในทิศทางใด รวมถึงความพร้อมใช้งานของน้ำสำหรับพืช
- สมการของ Richards สำหรับการไหลแบบไม่อิ่มตัว
- Richards ได้รวมกฎของ Darcy เข้ากับการอนุรักษ์มวลสำหรับดินที่ไม่อิ่มตัว ทำให้ได้สมการเชิงอนุพันธ์ย่อยที่สภาพนำไฮดรอลิกขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำอย่างมาก ซึ่งเป็นรากฐานของพลวัตของน้ำในดินเชิงปริมาณ
- ตัวกลางที่มีรูพรุนสามเฟส
- พฤติกรรมของดินถูกควบคุมโดยสัดส่วนและการจัดเรียงของของแข็ง น้ำ และอากาศ; การกระจายขนาดรูพรุนที่กำหนดโดยเนื้อดินและโครงสร้างควบคุมการกักเก็บน้ำ การระบายน้ำ การระบายอากาศ และการไหลของความร้อน
Clinical relevance
ฟิสิกส์ของดินเป็นรากฐานของการจัดการน้ำเพื่อการเกษตรและสิ่งแวดล้อม: เป็นตัวกำหนดปริมาณน้ำที่ดินสามารถกักเก็บไว้ให้พืชได้ ความเร็วในการซึมผ่านและการระบายน้ำ วิธีการออกแบบระบบชลประทานและการระบายน้ำ และวิธีการที่การอัดแน่นและการสูญเสียโครงสร้างส่งผลเสียต่อการเจริญเติบโตของรากและเพิ่มการไหลบ่าและการพังทลายของดิน
History
ฟิสิกส์ของดินเชิงปริมาณพัฒนามาจากแนวคิดเรื่องศักย์คาปิลลารี (capillary potential) ของ Buckingham ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 สมการของ Richards ในปี 1931 สำหรับการไหลแบบไม่อิ่มตัว และงานวิจัยในช่วงกลางศตวรรษเกี่ยวกับการกักเก็บน้ำและความจุสนาม (field capacity) ตำราของ Hillel ได้สังเคราะห์สาขาวิชานี้ โดยเชื่อมโยงฟิสิกส์ของน้ำในดินกับการเจริญเติบโตของพืชและกระบวนการทางสิ่งแวดล้อม
Key figures
- Daniel Hillel
- Lorenzo A. Richards
- Edgar Buckingham
Related topics
Seminal works
- hillel1998
- richards1931
- brady2016
Frequently asked questions
- ทำไมดินทรายจึงแห้งเร็วกว่าดินเหนียว?
- ดินทรายมีรูพรุนขนาดใหญ่ที่ระบายน้ำออกอย่างรวดเร็วภายใต้แรงโน้มถ่วงและกักเก็บน้ำได้น้อย ในขณะที่ดินเหนียวมีรูพรุนละเอียดจำนวนมากที่กักเก็บน้ำไว้ด้วยแรงคาปิลลารีและแรงตึงผิว ดังนั้นดินเหนียวจึงกักเก็บน้ำที่พืชใช้ได้มากกว่าและแห้งช้ากว่า
- ศักย์น้ำในดินหมายความว่าอย่างไร?
- ศักย์น้ำในดินเป็นการวัดสถานะพลังงานของน้ำในดินเมื่อเทียบกับน้ำอิสระ; น้ำจะเคลื่อนที่จากศักย์ที่สูงกว่าไปยังศักย์ที่ต่ำกว่า และยิ่งศักย์มีค่าเป็นลบมากเท่าใด น้ำก็จะถูกยึดไว้แน่นมากขึ้นเท่านั้น และพืชก็จะต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการดึงน้ำออกมา