تعیین منحنی رطوبتی و پارامترهای معادله ون-گنوختن در خاک‌های آبدوست و آب‌گریز شده در اثر حرارت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری آبیاری و زهکشی دانشگاه شهرکرد

2 دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه شهرکرد

3 استادیار گروه مهندسی آب دانشگاه شهرکرد

4 استادیار گروه خاکشناسی دانشگاه شهرکرد

5 استادیار گروه آبیاری و زهکشی دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز

چکیده

از آنجا که حرارت روی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک تأثیر می­گذارد و گاهی سبب آب‌گریزی خاک می­شود، بنابراین منحنی رطوبتی خاک نیز تحت تأثیر این تغییرات قرار می­گیرد. در این پژوهش به منظور تعیین اثر حرارت بر منحنی رطوبتی خاک، یک نوع خاک آلی با آب‌گریزی اندک به مدت 30 دقیقه در دماهای 100 (T100)، 200 (T200)، 300 (T300)، 400 (T400) و 500 (T500) درجه سانتی­گراد در کوره حرارت داده شد به این ترتیب خاک حاصل تحت تأثیر 5 تیمار حرارتی در 3 تکرار در قالب طرح آزمایشی کاملاً تصادفی قرار گرفت. سپس آب‌گریزی خاک­ها به روش زمان نفوذ قطره آب و محلول آب - الکل و منحنی رطوبتی نمونه‌های تیمار شده با استفاده از دستگاه صفحات فشاری و جعبه شنی اندازه‌گیری شد. پارامترهای معادله ون­گنوختن به روش حداقل‌سازی مجموع مربعات و با استفاده از برنامه RETC تعیین گردید. سپس با استفاده از نرم افزار SAS8 و آزمون LSD اثر حرارت بر پارامترهای این معادله مشخص شد. مشخصات منحنی رطوبتی نیز در خاک‌های حرارت دیده و خاک بدون حرارت (تیمار شاهد) تعیین شد. نتایج نشان داد خاک مورد نظر که در ابتدا دارای آب‌گریزی اندک بود با حرارت دادن در 300 درجه آب‌گریزی قوی در آن ایجاد شد و با بالاتر رفتن دما، ناگهان آب‌گریزی آن از بین رفت. همچنین، پارامترهای معادله ون گنوختن تحت تأثیر افزایش دما و آب‌گریزی خاک قرار گرفتند. تیمارهای خاک آب‌گریز رطوبت اشباع کمتری نسبت به سایر تیمارهای با بافت مشابه داشتند. تیمار T500 دارای کمترین مقدار رطوبت اشباع بود که احتمالاً علت آن افزایش ذرات با اندازه شن و نیز از بین رفتن مواد آلی و تشکیل خاکستر در این تیمار است. مقدار پارامتر α در تیمارهای خاک آب‌گریز (T300 و تیمار شاهد) نسبت به سایر تیمارها با بافت مشابه کمتر بود. پارامتر n نیز در تیمارهای خاک آب‌گریز نسبت به تیمارهای T100 و T200 بیشتر بود. از آنجا که این پارامتر در خاک‌های سنگین مقدار کمتری نسبت به خاک‌های سبک دارد به همین دلیل در تیمارهای T400 وT500 که دارای بافت لوم شنی بودند نسبت به سایر تیمارها که دارای بافت لومی بودند، مقدار آن بیشتر بود. رطوبت در ظرفیت زراعی و نقطه پژمردگی نیز با افزایش دمای تیمارها کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Determination of Water Retention Curve and van Genuchten Equation's Parameters in Hydrophilic and Heat-induced Hydrophobic Soils

نویسندگان [English]

  • N. Nourmahnad 1
  • S. H. Tabatabaei 2
  • M. R. Nouri Emamzade 3
  • gorbani dashtaki 4
  • A. R. Hoshmand 5
1 Ph.D. Student, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
2 Associate Professor, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
3 Assistant Professor, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
4 Assistant Professor, Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Shahrekord
5 Assistant Professor, Faculty of Water Engineering, University of Shahid Chamran, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

Heating affects soil physical and chemical properties and sometimes causes soil water repellency. In order to investigate heating effect on water retention curve, an organic soil was heated in a muffle furnace preheated at 100 (T100), 200 (T200), 300 (T300), 400 (T400) and 500 °C (T500). Hence, the soil was exposed to five heating treatments in three replications, in a completely randomized design. Water repellency was determined by using water drop penetration time method and aqueous ethanol method. Water retention curve of the treatments was determined by means of sand box and pressure plate. The van Genuchten equation's parameters were obtained by minimizing mean square procedure and using RETC software. Then, heating effects were determined using SAS8 and LSD model. Some properties of water retention curve in heated and unheated soils were measured. The results showed that the original soil had low water repellency, while, at 300 °C, strong water repellency appeared, but disappeared by increasing the temperature. Van Genuchten equation's parameters changed by increasing temperature and water repellency. The hydrophobic soils had low saturation water content compared to the other treatments with similar texture. T500 had the least saturation water content, probably because higher temperature decreased organic matter and increased sand and ash content. The value of α in hydrophobic soil was lower than other treatments with the same texture, but the “n” parameter in hydrophobic soils was higher than that in T100 and T200 treatments. Since this parameter is lower in heavy soils than light soils, it was low in T400 and T500 with sandy loam texture compared with the other treatments with loam texture. Water content at field capacity and wilting point diminished by increasing temperature.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Heating
  • Pressure plate
  • van Genuchten equation
  • Water repellency

مراجع

  1. زینال زاده، ک. 1377. تخمین پارامترهای معادله ریچاردز و کاربرد آن در شبیه سازی جریان رطوبت در محیط غیر اشباع. پایان­نامه کارشناسی ارشد آبیاری و زهکشی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز.
  2. ذوالفقاری، ع. ا. و م. ع. حاج عباسی. تأثیر تغییر کاربری اراضی بر خصوصیات فیزیکی و آب‌گریزی خاک در مراتع فریدونشهر و جنگل­های لردگان. مجله آب و خاک علوم و صنایع کشاورزی. جلد 22 ، شماره 2: 251-262.
  3. سهراب ف. ١٣٨٢ . ارزیابی تأثیر افزودن مواد جاذب رطوبت بر ظرفیت نگهداشت آب در اراضی آبخیز اردستان. پایان نامه کارشناسی ارشد، رشته آبیاری و زهکشی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان. ١٣٢ ص.
  4. عالمی م. ح. ١٣٦٠ .آب و خاک ترجمه. چاپ اول. انتشارات دانشگاه تهران. شماره ١٧٩٢.
  5. حق شناس گرگابی، م. و ح.ا. بیگی هرچگانی. 1389. اثر زئولیت میانه بر ظرفیت نگهداری آب و ضرایب مدل­های منحنی رطوبتی دو بافت خاک شنی و لوم رسی. مجله پژوهش آب ایران. شماره 6:42-35.
  6. خداوردی لو،. ح. فتحی، پ. و م. همایی. 1383. تخمین هوشمند منحنی رطوبتی با استفاده از شبکه عصبی. دومین کنفرانس ملی دانشجویی منابع آب و خاک. دانشگاه شیراز.
  7. میر بابایی، م.، م. شعبانپور شهرستانی و ع. ا. ذوالفقاری. 1390. تعیین آب‌گریزی و زاویه تماس آب با خاک در برخی از خاک‌های استان گیلان و بررسی رابطه برخی پارامترها با زاویه تماس آب با خاک. دوازدهمین کنگره علوم خاک ایران.
  8. Adams, R.H., Osorio, F.J. and J.Z. Cruz. 2008. Water repellency in oil contaminated sandy and clayey soils. Enviroment Science Technology Journal. 5 (4): 445-454.
  9. Ahuja, L.R., Fiedler, F., Dunn, G.H., Benjamin, J.G. and A. Garrison. 1998. Changes in soil water retention curves due to tillage and natural reconsolidation. Soil Sci. Soc. Am. J. 62 (5):1228– 1233.
  10. Alauzis, M.V., Mazzarino, M.J., Raffaele, E. and L. Roselli. 2004. Wildfires in NW Patagonia: long-term effects on a Nothofagus forest soil. Forest Ecology and Management 192 (2–3), 131–142.
  11. Are, K.S., Oluwatosin, G.A., Adeyolanu, O.D. and A.O. Oke. 2009. Slash and burn effect on soil quality of an Alfisol: soil physical properties. Soil and Tillage Research 103 (1): 4–10.
  12. Arye,G., Tarchitzky,J. and Y. Chen. 2011. Treated wastewater effects on water repellency and soil hydraulic properties of soil aquifer treatment infiltration basins. Journal of Hydrology 397: 136–145
  13. Badia, D., and C. Marti. 2003. Plant ash and heat intensity effects on chemical and physical properties of two contrasting soils. Arid Land Research and Management 17: 23–41.
  14. Batjes, N.H. 1996. Development of a world data set of soil water retention properties using pedotransfer rules. Geoderma 71 (1–2): 31–52.
  15. Bormann, H. and K. Klaassen. 2008. Seasonal and land use dependent variability of soil hydraulic and soil hydrological properties of two Northern German soils. Geoderma 145 (3–4), 295–302.
  16. Crockford, H., Topalidis, S. and D.P. Richardson. 1991. Water repellency in a dry sclerophyll eucalypt forest — measurements and processes. Hydrology, Process. 5: 405–420.
  17. Dekker, L. W., and P. D. Jungerius. 1990. Water repellency in the dunes with special reference to The Netherlands. Catena, Suppl. 18: 173– 183
  18. Dekker, L.W., and C.J. Ritsema. 1994. How water moves in a water repellent sandy soil. 1. Potential and actual water repellency. Water Resour. Res. 30: 2507–2517.
  19. Dekker, L.W., Ritsema, C.J. Oostindie, K. and O.H. Boersma. 1998. Effect of drying temperature on the severity of soil water repellency. Soil Sci. 163 _10, 780–796.
  20. DeRoo, A.P.J., Wesseling, C.G. and C.J. Ritsema. 1996. LISEM: a single- event physically based hydrological and soil erosion model for drainage basins. I: Theory input and output. Hydrological Processes 10 (8): 1107–1117.
  21. DeBano, L. F. 1981. Water repellent soils: a state-of-the-art. Gen. Tech. Rep. PSW-46. Berkeley, CA: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Pacific Southwest Forest and Range Experiment Station. 21 p.
  22. DeBano, L. F. 2000. The role of fire and soil heating on water repellency in wildland environments: A Review. Journal of Hydrology 231– 232: 195–206.
  23. Doerr, S.H., 2004. Heating effects on water repellency in Australian eucalypt forest soils and their value in estimating wildfire soil temperatures. International Journal of Wildland Fire 13 (2), 157.
  24. Doerr, S.H., and A.D. Thomas. 2000. The role of soil moisture in controlling water repellency: new evidence from forest soils in Portugal. J. Hydrology. 231–232, 134–147.
  25. Doerr, S.H., Dekker, L.W., Ritsema, C.J., Shakesby, R.A. and R. Bryant. 2002. Water repellency of soils: the influence of ambient relative humidity. Soil Sci. Soc. Am. J. 66: 401–405.
  26. Garcia-Corona, R., Benito, E. De Blas E. and M. E. Varela. 2004. Effects of heating on some soil physical properties related to its hydrological behavior in two north-western Spanish soils. International Journal of Wildland Fire. 13: 195–199.
  27. Gee G.H., and J.W. Bauder. 1986. Particle size analysis. In: A. Klute (ed.) Methods of Soil Analysis. Part 2 physical properties. SSSA, Madison, WI.
  28. Greiffenhagen, A., G. Wessolek, M. Facklam, M. Renger and H. Stoffregen. 2006. Hydraulic functions and water repellency of forest floor horizons on sandy soils. Geoderma 132: 182–195.
  29. Heiskanen, J., Makitalo, K. and J. Hyvonen. 2007. Long-term influence of site preparation on water-retention characteristics of forest soil in Finnish Lapland. Forest Ecology and Management. 241 (1–3): 127–133.
  30. Hsu, P.H. 1989. Aluminum hydroxides and oxyhydroxides. In: Dixon, J.B., Weed, S.B. (Eds.), Minerals in Soil Environments. Soil Sci. Soc. Am. J. 331–378.
  31. Katsvairo, T., Cox, W.J. and H. Van Es. 2002. Tillage and rotation effects on soil physical characteristics. Journal of Agronomy 94 (2): 299–304.
  32. King, P. M. 1981. Comparison of methods for measuring severity of water repellence of sandy soils and assessment of some factors that affect its measurement. Aust. J. Soil Res. 19: 275-85.
  33. Kitzberger, T., Raffaele, E., Heinemann, K., Mazzarino, M.J. and P. Harcombe. 2005. Effects of fire severity in a north Patagonian subalpine forest. Journal of Vegetation Science 16 (1): 5–12.
  34. Letey, J., M. L. K. Carrillo and X. P. Pang. 2000. Approaches to characterize the degree of water repellency. Journal of Hydrology 231–232: 61–65.
  35. Mallik, A.U., Gimingham, C.H. and A.A. Rahman. 1984. Ecological effects of heather 1. Water infiltration, moisture retention and porosity of surface soil. J. Ecol. 72: 767–776.
  36. Minasny, B., and A.B. McBratney. 2007. Estimating the water retention shape parameter from sand and clay content. Soil Sci. Soc. Am. J. 71 (4): 1105–1110.
  37. Omuto C.T. and L.O. 2009. Estimating water infiltration and retention characteristics using a computer program in R. Computers & Geosciences 35: 579–585.
  38. Pachepsky, Y.A., Timlin, D.J. and W.J. Rawls. 2001. Soil water retention as related to topographic variables. Soil Sci. Soc. Am. J. 65 (6): 1787–1795.
  39. Porebska, D., Sawinski, C. Lamorski, K. and R.T. Walczak. 2005. Relationship between van Genuchten’s parameters of the retention curve equation and physical properties of soil solid phase. Agrophysics, 2006, 20, 153-159.
  40. Rawls, W.J., Pachepsky, Y.A., Ritchie, J.C., Sobecki, T.M. and H. Bloodworth. 2003. Effect of soil organic carbon on soil water retention. Geoderma 116 (1–2): 61–76.
  41. Regalado C. M. and A. Ritter. 2005. Characterizing water dependent soil repellency with minimal parameter requirement. Soil Sci. Soc. Am. J. 69:1955–1966
  42. Rubio, C.M., Llorens, P. and F. Gallart. 2008. Uncertainty and efficiency of pedotransfer functions for estimating water retention characteristics of soils. European Journal of Soil Sci. 59 (2): 339–347.
  43. Savage, S.M., 1974. Mechanism of fire-induced water repellency in soil. Soil Sci. Soc. Am. J. Proceedings 38: 652–657.
  44. Savage, S.M., Osborn, J., Letey, J., Heaton, C., 1972. Substances contributing to fire-induced water repellency in soils. Soil Sci. Soc. Am. J. Proceedings 36: 674–678.
  45. Sertsu, S.M., and P. A. Sanchez. 1978. Effects of heating on some changes in soil properties in relation to an Ethiopian land management practice. Soil Sci. Soc. Am. J. 42: 940–944.
  46. Sharad K. J. Singh V. P. and Th. M. Van Genuchten. 2004. Analysis of soil water retention data using artificial neural networks. Journal of Hydrologic Engineering 9:415-420.
  47. Silva, J.S., Rego, F.C. and S. Mazzoleni. 2006. Soil water dynamics after fire in a Portuguese shrubland. International Journal of Wildland Fire 15: 99–111.
  48. Stoof, C. R., J. G. Wesseling and C. J. Ritsema. 2010. Effects of fire and ash on soil water retention. Geoderma 159: 276–285.
  49. Terefe, T., I. Mariscal-Sancho, F. Peregrina and R. Espejo. 2008. Influence of heating on various properties of six Mediterranean soils. A laboratory study. Geoderma 143 (3–4): 273–280.
  50. Ulery, A. L. and R. C. Graham. 1993. Forest fire effects on soil color and texture. Soil Sci. Soc. Am. J. 57 (1): 135–140.
  51. Van Dam, J.C., Huygen, J., Wesseling, J.G., Feddes, R.A., Kabat, P., Van Walsum, P.E.V., Groenendijk, P. and C.A. Van Diepen. 1997. Theory of SWAP version 2.0; simulation of water flow, solute transport and plant growth in the soil-water-atmosphere-plant environment, Winand Staring Centre for Integrated Land, Soil and Water Research, Wageningen.
  52. Van Genuchten, M.Th. 1980. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 44: 892–898.
  53. Vereecken, H., Maes, J., Feyen, J. and Darius, P. 1989. Estimating the soil moisture retention characteristic from texture, bulk density, and carbon content. Soil Sci. 148 (6): 389–403.
  54. Wallis, M.G., Horne, D.J. and K.W. McAuliffe. 1990. A study of water repellency and its amelioration in a yellow-brown sand. 1. Severity of water repellency and the effects of wetting and abrasion. N.Z. J. Agric. Res. 33: 139–144.
  55. Wesseling, J.G., Ritsema, C.J., Oostindie, K., Stoof, C.R. and L.W. Dekker. 2009. A new, flexible and widely applicable software package for the simulation of one-dimensional moisture flow. Environmental Modeling & Software 24 (9): 1127–1132.
پژوهش های خاک
دوره 27، شماره 4
اسفند 1392
صفحه 573-582

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار