Vật lý đất và Quan hệ nước
Vật lý đất nghiên cứu trạng thái vật lý và hành vi của đất, đặc biệt là cách nước được giữ và di chuyển qua mạng lưới lỗ rỗng, cấu trúc của khung rắn, và cách nhiệt và không khí di chuyển bên trong nó.
Definition
Vật lý đất là môn nghiên cứu các tính chất và quá trình vật lý của đất, đặc biệt là sự giữ lại và vận chuyển của nước, không khí và nhiệt trong môi trường xốp được hình thành bởi các hạt rắn của đất và không gian lỗ rỗng của chúng.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm sự lưu trữ và trạng thái năng lượng của nước trong đất, sự di chuyển của nước do thấm và dòng chảy không bão hòa, kiến trúc của cấu trúc đất và độ xốp, và sự vận chuyển nhiệt và khí. Nó coi đất là một môi trường xốp ba pha gồm chất rắn, nước và không khí, và cung cấp cơ sở vật lý cho thủy lợi, thoát nước và cung cấp nước cho cây trồng, được định nghĩa ở đây là quan hệ đất-nước để phân biệt với nước ngầm và thủy văn bề mặt.
Sub-topics
Core questions
- Nước được giữ trong đất như thế nào, và làm thế nào chúng ta mô tả trạng thái năng lượng của nó?
- Nước thấm và di chuyển qua đất không bão hòa như thế nào?
- Cấu trúc đất và độ xốp chi phối sự lưu trữ và dòng chảy như thế nào?
- Nhiệt và không khí di chuyển qua đất và ảnh hưởng đến rễ và vi sinh vật như thế nào?
Key concepts
- Thế năng nước trong đất (thế năng ma trận, thế năng trọng trường, thế năng thẩm thấu)
- Đường cong giữ nước
- Dung tích đồng ruộng và điểm héo vĩnh viễn
- Độ dẫn thủy lực
- Thấm và dòng chảy không bão hòa
- Độ xốp, khối lượng riêng biểu kiến và sự thông khí
Key theories
- Thế năng nước trong đất
- Trạng thái năng lượng của nước trong đất được mô tả bằng tổng thế năng của nó, tổng của các thành phần trọng trường, ma trận và thẩm thấu, quyết định liệu nước sẽ di chuyển và theo hướng nào, cũng như mức độ sẵn có của nó đối với cây trồng.
- Phương trình Richards cho dòng chảy không bão hòa
- Richards đã kết hợp định luật Darcy với định luật bảo toàn khối lượng cho đất không bão hòa, tạo ra một phương trình vi phân riêng phần trong đó độ dẫn thủy lực phụ thuộc mạnh mẽ vào hàm lượng nước, đây là nền tảng của động lực học nước trong đất định lượng.
- Môi trường xốp ba pha
- Hành vi của đất được chi phối bởi tỷ lệ tương đối và sự sắp xếp của chất rắn, nước và không khí; sự phân bố kích thước lỗ rỗng được xác định bởi kết cấu và cấu trúc kiểm soát khả năng giữ nước, thoát nước, thông khí và dòng nhiệt.
Clinical relevance
Vật lý đất là nền tảng cho việc quản lý nước trong nông nghiệp và môi trường: nó xác định lượng nước mà đất có thể lưu trữ cho cây trồng, tốc độ thấm và thoát nước, cách thiết kế hệ thống tưới tiêu và thoát nước, và cách sự nén chặt và mất cấu trúc làm suy giảm sự phát triển của rễ và làm tăng dòng chảy bề mặt và xói mòn.
History
Vật lý đất định lượng phát triển từ khái niệm tiềm năng mao dẫn của Buckingham vào đầu thế kỷ 20, phương trình của Richards năm 1931 về dòng chảy không bão hòa, và các công trình nghiên cứu giữa thế kỷ về khả năng giữ nước và dung tích đồng ruộng. Các văn bản của Hillel đã tổng hợp lĩnh vực này, liên kết vật lý nước trong đất với sự phát triển của cây trồng và các quá trình môi trường.
Key figures
- Daniel Hillel
- Lorenzo A. Richards
- Edgar Buckingham
Related topics
Seminal works
- hillel1998
- richards1931
- brady2016
Frequently asked questions
- Tại sao đất cát khô nhanh hơn đất sét?
- Đất cát có các lỗ rỗng lớn thoát nước nhanh chóng dưới tác dụng của trọng lực và giữ được ít nước, trong khi đất sét có nhiều lỗ rỗng mịn giữ nước bằng lực mao dẫn và lực bề mặt, do đó đất sét lưu trữ nhiều nước sẵn có cho cây trồng hơn và khô chậm hơn.
- Thế năng nước trong đất có nghĩa là gì?
- Thế năng nước trong đất đo trạng thái năng lượng của nước trong đất so với nước tự do; nước di chuyển từ thế năng cao hơn đến thế năng thấp hơn, và thế năng càng âm, nước càng được giữ chặt và cây trồng càng phải tốn nhiều công sức để hút nước.