土壌の空隙

土壌の空隙空間には、土壌の液相と気相、つまり主にさまざまな大きさの鉱物と有機化合物を含む固相以外のすべてのものが含まれています。

多孔性をよりよく理解するために、土壌の 3 つの相間の定量的な相互作用を表現する一連の方程式が使用されています。

マクロ孔隙または亀裂は、多くの土壌の浸透率、優先流動パターン、透水伝導率、蒸発散において重要な役割を果たします。亀裂はガス交換にも大きな影響を及ぼし、土壌内の呼吸に影響を及ぼします。したがって、亀裂をモデル化することは、これらのプロセスがどのように機能するか、圧縮などの土壌亀裂の変化がこれらのプロセスにどのような影響を与えるかを理解するのに役立ちます。

土壌の空隙空間には植物（根圏）や微生物の生息地が存在する可能性がある。

背景

乾燥嵩密度

\rho _{dry}={\frac {M_{solid}}{V_{total}}}

土壌の乾燥嵩密度は、土壌を構成する鉱物の組み合わせと圧縮度に大きく依存します。石英の密度は約 2.65 g/cm ³ですが、土壌の乾燥嵩密度はその半分以下になることもあります。

ほとんどの土壌の乾燥嵩密度は 1.0 ～ 1.6 g/cm ³ですが、有機質土壌や一部の多孔質粘土の乾燥嵩密度は 1 g/cm ³を大きく下回る場合があります。

コアサンプルは、金属の刃を所定の深さまたは土壌層に押し込むことによって採取されます。その後、土壌サンプルは一定重量になるまでオーブンで乾燥されます（通常は 105 °C）。

{\rm {{乾燥\嵩密度}={\frac {\rm {(乾燥土壌の質量)}}{\rm {(サンプルの総体積)}}}}}

土壌の乾燥嵩密度は、土壌の空隙率に反比例します。土壌の空隙空間が大きいほど、乾燥嵩密度は低くなります。

気孔率

\eta ={\frac {V_{毛穴}}{V​​_{合計}}}={\frac {V_{流体}}{V_{合計}}

または、より一般的には、空隙が空気と水という 2 つの流体で満たされている不飽和土壌の場合:

\eta ={\frac {V_{空気}+V_{水}}{V_{固体}+V_{空気}+V_{水}}

多孔度は、土壌の全空隙空間の尺度です。これは、多くの場合パーセントで示される体積の割合として定義されます。土壌の多孔度の量は、土壌を構成する鉱物と、土壌構造内で発生する選別の量によって異なります。たとえば、砂質土はシルト質砂よりも多孔度が大きくなります。これは、シルトが砂粒子間の隙間を埋めるためです。 $\eta$

空隙空間の関係

透水性

透水係数(K) は、土壌の空隙空間を水が移動する容易さを表す特性です。これは、材料の浸透性(空隙、圧縮) と飽和度に依存します。飽和透水係数 K _{sat は}、飽和媒体を通る水の動きを表します。透水係数は、どの状態でも測定できます。透水係数は、さまざまな機器で推定できます。透水係数を計算するには、ダルシーの法則を使用します。この法則の操作は、土壌の飽和度と使用する機器に依存します。

浸潤

浸透とは、地表の水が土壌に浸透する過程です。水は、重力と毛細管現象によって、細孔から土壌に浸透します。最も大きな亀裂や細孔は、最初に水を溜めておくのに非常に役立ちます。これにより、浸透が速くなります。細孔が小さいほど、浸透するのに時間がかかり、重力だけでなく毛細管現象にも依存します。土壌が飽和状態になるにつれて、細孔が小さいほど浸透が遅くなります。

毛穴の種類

孔隙は、土壌の固体構造における単なる空隙ではありません。孔隙のサイズは種類によって異なり、その数や頻度に応じて土壌にさまざまな特性をもたらします。孔隙のサイズの分類として広く使われているのは、Brewer (1964) の分類です。^[1]^[2]^[3]

マクロポア

毛細管力を発揮するには大きすぎる細孔。妨げられない限り、水はこれらの細孔から排出され、通常は空気で満たされた状態です。マクロ細孔は、ひび割れ、ペッドと集合体の分裂、植物の根、動物の調査によって発生することがあります。 ^[3]サイズは75μm以上です。^[4]

メソポア

圃場容量まで水が満たされた最大の孔。植物に有用な水を貯蔵する能力があるため、貯蔵孔とも呼ばれる。毛細管力がそれほど大きくないため、水が植物に制限されることはない。メソ孔の特性は、農業や灌漑への影響から土壌科学者によって精力的に研究されている。^[3]サイズは30～75μm。^[4]

微細孔

これらは「これらの孔内の水は動かないと考えられるほど十分に小さいが、植物による抽出には利用可能である」孔である。^[3]これらの孔内では水の動きがほとんどないため、溶質の移動は主に拡散プロセスによって行われる。サイズは5～30μm。^[4]

超微細孔

これらの空隙は微生物の生息に適しています。その分布は土壌の質と土壌有機物によって決まり、圧縮の影響はあまり受けません。^[5]^[3]サイズは0.1～5μmです。^[4]

クリプトポア

ほとんどの微生物が侵入できないほど小さい孔。そのため、これらの孔内の有機物は微生物による分解から保護されます。土壌が非常に乾燥していない限り、孔は水で満たされていますが、植物が利用できる水はわずかであり、水の移動は非常に遅いです。^[5]^[3]サイズ<0.1μm。^[4]

モデリング方法

基本的な亀裂モデリングは、亀裂のサイズ、分布、連続性、深さの単純な観察と測定によって長年行われてきました。これらの観察は、表面観察またはピットのプロファイルで行われてきました。紙の上で亀裂パターンを手でトレースして測定することは、現代の技術が進歩する前に使用されていた1つの方法でした。別の現場での方法は、紐と半円状の針金を使用するものでした。^{[6]半円は、紐のラインの交互の辺に沿って動かされました。半円内の亀裂は、定規を使用して幅、長さ、深さが測定されました。亀裂の分布は、}ビュフォンの針の原理を使用して計算されました。

ディスク透過率計

この方法は、亀裂のサイズによって水ポテンシャルの範囲が異なるという事実に基づいています。土壌表面の水ポテンシャルがゼロの場合、飽和透水係数の推定値が生成され、すべての細孔が水で満たされます。ポテンシャルが徐々に減少するにつれて、より大きな亀裂から水が排出されます。負のポテンシャルの範囲で透水係数を測定することで、細孔のサイズ分布を決定できます。これは亀裂の物理的モデルではありませんが、土壌内の細孔のサイズの指標となります。

ホーガンとヤングモデル

ホーガンとヤング (2000) は、表面の亀裂形成を 2 次元的に予測するコンピュータモデルを作成しました。このモデルでは、亀裂が一定の距離内に近づくと互いに引き寄せられる傾向があるという事実を利用しました。また、亀裂は特定の角度範囲内で曲がる傾向があり、ある段階で表面の集合体は亀裂が発生しないサイズになります。これらは土壌の特性であることが多いため、現場で測定してモデルに使用できます。ただし、亀裂が始まるポイントを予測することはできませんでした。また、亀裂パターンの形成はランダムですが、多くの点で、土壌の亀裂はランダムではなく、弱点の線に沿っていることがよくあります。^[7]

アラルダイト含浸イメージング

大きなコアサンプルを採取します。次に、これにアラルダイトと蛍光樹脂を含浸させます。次に、研削器具を使用して、コアを非常にゆっくりと (1 回につき約 1 mm) 切り取り、その間隔ごとにコアサンプルの表面をデジタル画像化します。次に、画像をコンピューターに読み込んで分析します。その後、土壌内の亀裂の深さ、連続性、表面積、およびその他の多くの測定値を測定できます。

電気抵抗イメージング

空気の無限の抵抗率を利用して、土壌内の空気空間をマッピングすることができます。特別に設計された抵抗率計は、計器と土壌の接触を改善し、読み取り領域を拡大しました。^[8] この技術は、さまざまなひび割れ特性を分析できる画像を作成するために使用できます。

参照

参考文献

^ Brewer, Roy (1964).土壌の構造と鉱物分析ハンティントン、ニューヨーク：RE Krieger（1980年出版）。ISBN 978-0882753140。
^チェスワース、ウォード（2008年）。土壌科学百科事典。ドルドレヒト、 オランダ：シュプリンガー。p.694。ISBN 978-1402039942. 2016年7月2日閲覧。
^ abcdef 土壌科学用語集委員会 (2008)。土壌科学用語集 2008。マディソン、ウィスコンシン州：アメリカ土壌科学協会。ISBN 978-0-89118-851-3。
^ abcde Brewer, Roy (1964). 「[表の抜粋]」(PDF) .土壌の構造と鉱物の分析. ニューヨーク: John Wiley & Sons . 2020年7月28日閲覧。
^ ab マルコム E. サムナー (1999 年 8 月 31 日)。土壌科学ハンドブック。CRC プレス。p. A- 232。ISBN 978-0-8493-3136-7。
^ Ringrose-Voase, AJ; Sanidad, WB (1996). 「土壌表面の亀裂の発達を測定する方法：低地稲作後の亀裂発達への応用」Geoderma . 71 (3–4): 245–261. Bibcode :1996Geode..71..245R. doi :10.1016/0016-7061(96)00008-0.
^ Horgan, GW; Young, IM (2000). 「土壌中の2次元亀裂成長の形状に関する経験的確率モデル」. Geoderma . 96 (4): 263–276. CiteSeerX 10.1.1.34.6589 . doi :10.1016/S0016-7061(00)00015-X.
^ Samouëlian, A; Cousin, I; Richard, G; Tabbagh, A; Bruand, A. (2003). 「センチメートルスケールでの土壌のひび割れ検出のための電気抵抗イメージング」。米国土壌科学会誌。67 (5): 1319–1326。Bibcode :2003SSASJ..67.1319S。doi :10.2136/sssaj2003.1319。S2CID 19535162。2010-06-15 にオリジナルからアーカイブ。

さらに読む

Foth, HD (1990)。土壌科学の基礎。 (Wiley、ニューヨーク)
ハープステッド、ミシガン州 (2001)。土壌科学の簡易版。 (アイオワ州立大学出版局、エイムズ)
Hillel, D. (2004).環境土壌物理学入門. (Elsevier/Academic Press、アムステルダム、シドニー)
Kohnke, H. (1995).土壌科学の簡易版. (Waveland Press:プロスペクトハイツ、イリノイ州)
Leeper, GW (1993).土壌科学：入門. (メルボルン大学出版局、ビクトリア州カールトン)

[1] Brewer, Roy (1964).土壌の構造と鉱物分析ハンティントン、ニューヨーク：RE Krieger（1980年出版）。ISBN 978-0882753140。

[2] ^チェスワース、ウォード（2008年）。土壌科学百科事典。ドルドレヒト、 オランダ：シュプリンガー。p.694。ISBN 978-1402039942. 2016年7月2日閲覧。

[pore-3] 土壌科学用語集委員会 (2008)。土壌科学用語集 2008。マディソン、ウィスコンシン州：アメリカ土壌科学協会。ISBN 978-0-89118-851-3。

[pore_size-4] Brewer, Roy (1964). 「[表の抜粋]」(PDF) .土壌の構造と鉱物の分析. ニューヨーク: John Wiley & Sons . 2020年7月28日閲覧。

[Sumner1999-5] マルコム E. サムナー (1999 年 8 月 31 日)。土壌科学ハンドブック。CRC プレス。p. A- 232。ISBN 978-0-8493-3136-7。

[6] Ringrose-Voase, AJ; Sanidad, WB (1996). 「土壌表面の亀裂の発達を測定する方法：低地稲作後の亀裂発達への応用」Geoderma . 71 (3–4): 245–261. Bibcode :1996Geode..71..245R. doi :10.1016/0016-7061(96)00008-0.

[7] Horgan, GW; Young, IM (2000). 「土壌中の2次元亀裂成長の形状に関する経験的確率モデル」. Geoderma . 96 (4): 263–276. CiteSeerX 10.1.1.34.6589 . doi :10.1016/S0016-7061(00)00015-X.

[8] Samouëlian, A; Cousin, I; Richard, G; Tabbagh, A; Bruand, A. (2003). 「センチメートルスケールでの土壌のひび割れ検出のための電気抵抗イメージング」。米国土壌科学会誌。67 (5): 1319–1326。Bibcode :2003SSASJ..67.1319S。doi :10.2136/sssaj2003.1319。S2CID 19535162。2010-06-15 にオリジナルからアーカイブ。