Tiến sĩ Gaylon Campbell, nhà vật lý học đất nổi tiếng thế giới, sẽ hướng dẫn bạn những kiến thức cần thiết để xây dựng các mô hình đơn giản về quá trình nước trong đất.
Nước dễ hấp thụ cho cây trồng
Cả lượng và khả năng cung cấp nước (nước có sẵn cho cây trồng) trong đất đều quan trọng đối với rễ cây và các sinh vật sống trong đất. Để mô tả lượng nước trong đất, chúng ta sử dụng thuật ngữ hàm lượng nước. Để mô tả nước có sẵn cho cây trồng, chúng ta nói đến thế năng nước (lực hút của đất). Trong nhiệt động lực học, hàm lượng nước được gọi là biến mở rộng và thế năng nước là biến cường độ. Cả hai đều cần thiết để mô tả chính xác trạng thái của nước trong đất và cây trồng.
Ngoài việc mô tả trạng thái của nước trong đất, cũng cần phải biết tốc độ di chuyển của nước trong đất.
Để làm được điều này, chúng ta cần biết độ dẫn thủy lực. Các thông số đất quan trọng khác là tổng thể tích lỗ rỗng, giới hạn trên thoát nước của nước trong đất và giới hạn dưới của nước có sẵn trong đất. Vì các đặc tính này thay đổi rộng rãi giữa các loại đất, nên việc thiết lập mối tương quan giữa các thông số rất hữu ích này và các đặc tính dễ đo lường như kết cấu đất và mật độ khối lượng sẽ rất hữu ích. Bài báo này sẽ trình bày thông tin cần thiết cho các mô hình đơn giản về các quá trình nước trong đất.
Hàm lượng nước và mật độ khối lượng
Lượng nước trong đất được mô tả bằng hàm lượng nước. Hàm lượng nước có thể được mô tả theo khối lượng hoặc thể tích. Hàm lượng nước theo khối lượng là khối lượng nước bị mất đi từ mẫu đất khi được sấy khô ở 105 °C, chia cho khối lượng đất khô. Định nghĩa này hữu ích để xác định hàm lượng nước trong phòng thí nghiệm nhưng không đặc biệt hữu ích để mô tả lượng nước ngoài thực địa. Trong trường hợp đó, hàm lượng nước theo thể tích hữu ích hơn.
Đó là thể tích nước chứa trên một đơn vị thể tích đất. Nếu w là hàm lượng nước theo khối lượng và θ là hàm lượng nước theo thể tích, thì
Phương trình 1
Trong đó ρb và ρw là khối lượng riêng và mật độ của nước.
Khối lượng riêng của đất là khối lượng đất khô chia cho thể tích đất. Mật độ của nước là 1 Mg/m³ . Trong đất khoáng , khối lượng riêng thường có giá trị từ 1,1 đến 1,7 Mg/m³ . Do đó, hàm lượng nước theo thể tích thường lớn hơn hàm lượng nước theo khối lượng.
Có thể coi θ là phần thể tích đất bị chiếm bởi nước. Phần thể tích bị chiếm bởi chất rắn có thể được tính toán từ khối lượng riêng.
Phương trình 2
trong đó ρs là mật độ của các hạt rắn trong đất. Giá trị điển hình của nó vào khoảng 2,65 Mg/m³ . Tổng thể tích lỗ rỗng trong đất là 1 – fs . Khi đất bão hòa hoàn toàn với nước, hàm lượng nước của nó là hàm lượng nước bão hòa, ρs . Nó có thể được tính toán từ mật độ khối lượng như sau:
Phương trình 3
Thế năng nước cho biết lượng nước có sẵn cho cây trồng.
Không phải tất cả lượng nước trong đất đều có sẵn như nhau cho thực vật, vi sinh vật và côn trùng. Một cách để xác định lượng nước có sẵn cho thực vật là đo thế năng nước. Thế năng nước là năng lượng tiềm năng trên mỗi đơn vị khối lượng nước. Nước trong đất được giữ bởi lực bám dính vào ma trận đất, chịu tác động của trọng lực và chứa các chất hòa tan làm giảm năng lượng của nó so với năng lượng của nước tinh khiết, tự do.
Do đó, các sinh vật sống phải tiêu tốn năng lượng để lấy nước từ đất. Thế năng nước là thước đo năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng nước cần thiết để lấy một lượng nước vô cùng nhỏ từ đất và vận chuyển nó đến một bể nước tinh khiết, tự do làm tham chiếu.
Vì thường cần năng lượng để lấy nước, nên thế năng nước thường là một giá trị âm. Đối với năng lượng tiềm năng trên mỗi đơn vị khối lượng, đơn vị của thế năng nước là J/kg.
Năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích được tính bằng J/m³ , hoặc N/m³ hoặc Pa. Chúng tôi ưu tiên sử dụng J/kg, nhưng người ta thường thấy thế năng nước được báo cáo bằng kPa hoặc MPa.
Một J/kg về mặt số học gần bằng 1 kPa.
Một J/kg về mặt số học gần bằng 1 kPa.
Mặc dù nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thế năng nước, nhưng trong bối cảnh sinh học, yếu tố quan trọng nhất thường là thế năng ma trận. Thế năng ma trận phát sinh do lực hút của ma trận đất đối với nước và do đó phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính của ma trận và lượng nước trong ma trận. Hãy xem video để hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của nó.
Hình 1 thể hiện các đường cong giải phóng độ ẩm điển hình hoặc đặc tính độ ẩm của đất cát, đất phù sa và đất sét.
Đất sét, do kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn và diện tích bề mặt hạt lớn hơn, làm giảm thế năng nước nhiều hơn ở cùng một hàm lượng nước so với đất cát và đất thịt.
Các đặc tính độ ẩm như trong Hình 1 có dạng tuyến tính khi biểu diễn logarit của thế năng nước theo logarit của hàm lượng nước. Phương trình mô tả các đường cong này là
Phương trình 4
trong đó ψ m là thế năng ma trận, θ là hàm lượng nước thể tích, ψ e được gọi là thế năng xâm nhập không khí của đất, và b là một hằng số.
Thế năng xâm nhập không khí và hàm lượng nước bão hòa đôi khi được kết hợp thành…
Thế năng xâm nhập không khí và hàm lượng nước bão hòa đôi khi được kết hợp thành một hằng số duy nhất, a , cho ta công thức:
Phương trình 5
Vì thế
Phương trình 5.5
Hình 1. Đặc điểm độ ẩm đất của ba loại đất khác nhau.
Khả năng thấm khí và giá trị b phụ thuộc vào kết cấu và cấu trúc của đất. Kết cấu đất có thể được xác định bằng tên của một loại kết cấu, chẳng hạn như đất thịt pha cát hoặc đất thịt pha cát mịn, bằng tỷ lệ cát, bùn và sét, hoặc bằng đường kính hạt trung bình và độ lệch chuẩn của đường kính hạt. Phương pháp sau là hữu ích nhất để xác định các đặc tính thủy lực. Chúng ta sẽ sử dụng mật độ khối hoặc tổng thể tích lỗ rỗng làm thước đo cấu trúc đất.
Shiozawa và Campbell (1991) đưa ra các mối quan hệ sau đây để chuyển đổi các phép đo thành phần bùn và sét thành đường kính hạt trung bình hình học và độ lệch chuẩn.
Phương trình 6
Và
Phương trình 6.5
trong đó m t và m y là tỷ lệ phần trăm của bùn và sét trong mẫu, d g là đường kính hạt trung bình hình học tính bằng µm , và σ g là độ lệch chuẩn hình học.
Tính chất thủy lực và kết cấu đất
Mối quan hệ giữa các đặc tính thủy lực và kết cấu, cấu trúc đất hiện nay vẫn còn khá mơ hồ, mặc dù đã có rất nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này. Sau đây là các phương trình được suy ra một phần từ lý thuyết và một phần bằng cách hiệu chỉnh thực nghiệm các bộ dữ liệu từ một số địa điểm. Sự phụ thuộc của thế năng xâm nhập không khí vào kết cấu và mật độ khối có thể được tính toán từ…
Phương trình 7
trong đó θ s được lấy từ Phương trình 3 và d g được lấy từ Phương trình 6.
Số mũ b có thể được ước tính từ
Phương trình 8
Bảng 1 liệt kê mười hai loại kết cấu đất và đưa ra tỷ lệ bùn và sét gần đúng cho tâm của mỗi loại. Sau đó, bảng này hiển thị các giá trị của d g , σ g , ψ e , và b cho mỗi loại.
Dung tích đồng ruộng và điểm héo vĩnh viễn
Nước di chuyển nhanh chóng trong đất ở độ ẩm cao, chủ yếu là do lực hút của trọng lực và độ dẫn thủy lực cao của đất gần bão hòa. Tuy nhiên, khi nước thoát ra khỏi đất, độ dẫn thủy lực giảm nhanh chóng và tốc độ di chuyển chậm lại. Sự di chuyển xuống dưới của nước dưới tác động của trọng lực trở nên rất nhỏ ở thế năng nước từ -10 đến -33 J/kg. Do đó, nước ở thế năng thấp hơn các giá trị này được giữ lại trong vùng rễ và có sẵn cho cây hấp thụ (nước có sẵn cho cây).
Độ ẩm khi thế năng ma trận nằm giữa -10 và -33 J/kg (-10 đối với cát; -33 đối với đất sét) là độ ẩm dung tích đồng ruộng ( θfc ) , hay giới hạn trên khi thoát nước. Đây là độ ẩm mà người ta mong đợi tìm thấy nếu một tầng đất bị ướt do mưa lớn hoặc tưới tiêu, được che phủ và để yên trong hai hoặc ba ngày. Nói cách khác, đó là độ ẩm cao nhất mà người ta thường mong đợi tìm thấy trong đất ruộng, ngoại trừ ngay sau khi thêm nước.
Các giá trị hàm lượng nước ở -33 J/kg được tính toán bằng Phương trình 4 cho từng loại kết cấu, giả sử ρ s = 0,5, và được thể hiện trong Bảng 1.
| Kết cấu | Bùn | Đất sét | dg(μm) | σg | ψe (J/kg) | b | kS (kg sm -3 ) |
θ-33 (m 3 m -3 ) |
θ-1500 (m 3 m -3 ) |
θav (m 3 m -3 ) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cát | 0,05 | 0,03 | 210,96 | 4.4 | -0,34 | 1.6 | 0.00211 | 0,03 | 0,00 | 0,03 |
| Cát pha sét | 0,12 | 0,07 | 121,68 | 8.7 | -0,45 | 2.7 | 0.001217 | 0,10 | 0,02 | 0,08 |
| Đất thịt pha cát | 0,25 | 0,10 | 61,62 | 12.2 | -0,64 | 3.7 | 0.000616 | 0.17 | 0,06 | 0.11 |
| Đất sét pha cát | 0.13 | 0,27 | 25.14 | 28,6 | -1,00 | 7.7 | 0,000251 | 0,32 | 0,19 | 0,12 |
| Đất mùn | 0,40 | 0,18 | 19,81 | 16.4 | -1,12 | 5.5 | 0.000198 | 0,27 | 0,14 | 0,14 |
| Đất sét cát | 0,07 | 0,40 | 11,35 | 40 | -1,48 | 11.0 | 0.000113 | 0,38 | 0,27 | 0.11 |
| Đất phù sa | 0,65 | 0,15 | 10,53 | 9.6 | -1,54 | 5.0 | 0,000105 | 0,27 | 0.13 | 0,14 |
| Bùn | 0,87 | 0,07 | 9.12 | 4.1 | -1,66 | 4.1 | 9.12e-05 | 0,24 | 0,10 | 0,15 |
| Đất sét pha cát | 0,34 | 0,34 | 7.09 | 23.3 | -1,88 | 8.4 | 7.09e-05 | 0.36 | 0,23 | 0.13 |
| Đất sét pha cát | 0,58 | 0.33 | 3,34 | 11.4 | -2,73 | 7.7 | 3.34e-05 | 0.36 | 0,22 | 0,14 |
| Đất sét phù sa | 0,45 | 0,45 | 2.08 | 13,9 | -3,47 | 9.7 | 2.08e-05 | 0,40 | 0,27 | 0.13 |
| Đất sét | 0,20 | 0,60 | 1,55 | 23.0 | -4,02 | 12.6 | 1.55e-05 | 0,42 | 0,31 | 0.11 |
Lưu ý rằng cát chỉ thoát nước đến vài phần trăm độ ẩm ở trạng thái bão hòa, trong khi các loại đất có kết cấu mịn hơn có thể có hàm lượng nước trên 0,3 m³/ m⁻³ . Tuy nhiên, tất cả các hàm lượng nước ở trạng thái bão hòa đều thấp hơn nhiều so với độ bão hòa.
Các giá trị trong bảng có thể cần được điều chỉnh để phản ánh những gì người ta…
Các giá trị trong bảng có thể cần được điều chỉnh để phản ánh những gì người ta sẽ tìm thấy trong thực địa vì mật độ khối lượng có xu hướng phụ thuộc vào kết cấu đất. Cát thường có mật độ khối lượng cao (1,6 Mg/m³), trong khi các loại đất có kết cấu mịn hơn thường có mật độ khối lượng thấp hơn. Điểm héo vĩnh viễn (PWP) không có nghĩa là cây bị chết do thế năng nước trong phạm vi này. Nó có nghĩa là cây sẽ không phục hồi khỏi tình trạng héo úa trừ khi được tưới nước.
Nhiều loài cây có khả năng hút nước từ đất đến thế năng nước thấp hơn nhiều so với -1500 J/kg, và việc hút nước nhanh chóng từ đất sẽ làm cho nước không khả dụng đối với cây được giữ ở thế năng cao hơn nhiều so với -1500 J/kg.
Tuy nhiên, giá trị này cung cấp một giới hạn dưới gần đúng cho hàm lượng nước trong đất mà cây đang hút nước. Các giá trị của θ pwp cũng được hiển thị trong Bảng 1 đối với θ s = 0,5.
Lượng nước có sẵn cho cây trồng được định nghĩa là lượng nước giữ trong đất giữa dung tích đồng ruộng và điểm héo vĩnh viễn.
Các giá trị này cũng được thể hiện trong Bảng 1.
Các giá trị này cũng được thể hiện trong Bảng 1. Các giá trị này thấp đối với đất có kết cấu thô nhưng có xu hướng khá đồng đều đối với các kết cấu đất khác, mặc dù giá trị dung tích đồng ruộng và điểm héo vĩnh viễn có sự khác biệt lớn. Tuy nhiên, cần thận trọng khi sử dụng các giá trị được đưa ra trong bảng.
Dự đoán điểm héo vĩnh viễn từ khả năng giữ nước của đất
Vì cả dung tích giữ nước tối đa và điểm héo vĩnh viễn đều có thể được tính toán từ các thông số đất cơ bản, nên hiển nhiên là chúng sẽ có mối tương quan với nhau. Hình 2 cho thấy hàm lượng nước gây héo vĩnh viễn của cả mười hai loại kết cấu đất được biểu diễn dưới dạng hàm số của hàm lượng nước ở dung tích giữ nước tối đa. Mối tương quan khá tốt, và dữ liệu được mô tả tốt bằng đa thức bậc hai. Kết quả thực tiễn của điều này là người ta chỉ cần biết một trong hai biến số này, và biến số còn lại có thể được tìm thấy từ mối quan hệ giữa hai biến số đó.
Hình 2. Hàm lượng nước gây héo vĩnh viễn theo hàm lượng nước giữ ở điều kiện đồng ruộng đối với mười hai loại kết cấu đất được trình bày trong Bảng 1.
Thu thập các đặc tính thủy lực từ dữ liệu khảo sát đất
Hàm lượng nước -33 và -1500 J/kg (1/3 và 15 bar) thường có sẵn từ dữ liệu khảo sát đất. Nếu biết các giá trị này, ta có thể tìm a và b trong Phương trình 5.5. Lấy logarit hai vế của Phương trình 5.5, ta được ln ψ m = ln ab ln θ . Thay thế θ fc = 33 và θ pwp = 1500 và hàm lượng nước tương ứng của chúng (sử dụng số dương cho ψ m khi lấy logarit; không thể lấy logarit của số âm), ta được hai phương trình với hai ẩn số là b và a , ta có thể giải đồng thời để tìm ra hai tham số.
Phương trình 9
Phương trình 10
Hãy đảm bảo rằng các giá trị θ fc và θ pwp mà bạn sử dụng là hàm lượng nước theo thể tích.
Hầu hết dữ liệu trong phòng thí nghiệm là hàm lượng nước theo khối lượng vì chúng được đo bằng phương pháp sấy khô trong lò. Nếu chúng là hàm lượng nước theo khối lượng, hãy chuyển đổi chúng sang hàm lượng nước theo thể tích bằng cách sử dụng mật độ khối lượng và Phương trình 1 trước khi sử dụng chúng để tính toán a và b . Đôi khi, tất cả những gì ta có chỉ là ước tính hàm lượng nước có sẵn cho đất.
Trong trường hợp này, ta có thể ước tính b đủ chính xác để vẫn tìm được giá…
Trong trường hợp này, ta có thể ước tính b đủ chính xác để vẫn tìm được giá trị cho a . Gọi θ av = θ fc – θ pwp là hàm lượng nước có sẵn (nước cây trồng có thể sử dụng) cho đất. Ta có thể sắp xếp lại Phương trình 5 để thu được
Phương trình 11
Nếu không có thông tin nào khác để chỉ ra giá trị của b, chúng ta sẽ giả định giá trị là 5. Điều này cho ta a = 637θ 5 av . Biết giá trị của a và b , ta có thể sử dụng Phương trình 5 để tìm θ fc và θ pwp . Ước tính hàm lượng nước khô trong không khí, mà chúng ta sẽ cần trong các mô hình bốc hơi từ bề mặt đất, được ước tính từ
Phương trình 12
Đo tất cả các thông số cần thiết để mô hình hóa lượng nước sẵn có cho cây trồng.
Cả hàm lượng nước và thế năng nước đều có thể được đo liên tục và dễ dàng bằng cảm biến đất METER. Thiết bị WP4C đo thế năng nước trong phòng thí nghiệm và có thể được sử dụng để dự đoán điểm héo vĩnh viễn. METER cũng cung cấp một loạt các thiết bị nghiên cứu hiện trường và phòng thí nghiệm khác để đo độ dẫn thủy lực và cấu trúc đất. Hãy xem video để thấy các thiết bị phòng thí nghiệm của chúng tôi hoạt động cùng nhau như thế nào để mô tả các đặc tính thủy lực của đất.
(Theo trang https://metergroup.com/)