تأثیر میزان رس و شوری خاک در رطوبت حجمی اندازه‌گیری شده با انعکاس سنج زمانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی دانشگاه تهران

2 عضو هیاُت علمی دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی دانشگاه تهران

3 عضو هیأت علمی مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی استان اصفهان

4 دانشجوی کارشناسی ارشد خاک شناسی دانشگاه

چکیده

اندازه­گیری مقدار دقیق رطوبت حجمی خاک در علوم کشاورزی، هیدرولوژی و خاک­شناسی بسیار حائز اهمیت است. لذا استفاده از روشی که بتوان رطوبت خاک را در شرایط طبیعی و بدون دست خوردگی با سرعت و دقت بالا به دست آورد، بسیار با اهمیت و کاربردی می­باشد. در سالهای اخیر استفاده از دستگاه انعکاس سنج زمانی[1](TDR) که
می­تواند رطوبت و شوری خاک را در مدت کوتاهی اندازه­گیری نماید متداول شده است. در این مطالعه تأثیر میزان رس و مقدار شوری خاک بر ضریب دی­الکتریک[2] (یا رطوبت حجمی خاک) اندازه­گیری شده با TDR در خاک های شور و غیر شور مورد بررسی قرار گرفت. نمونه برداری از پنج نوع خاک در دو عمق سطحی (30-0) و عمقی (60-30) انجام شد. هر نمونه بافت خاک بسته به میزان رس ان در 15 تا 20 ستون ریخته شد  و هربار به بعضی ستونها آب خالص به میزان 0.025 متر مکعب بر مترمکعب و به بعضی از انها 0.03 متر مکعب بر متر مکعب آب با
شوری های مختلف )41/0-81/0-53/1-6/2-49/3 -71/4 دسی زیمنس بر متر( اضافه شد تا نزدیک به حالت اشباع رسیدند. سپس چگالی ظاهری آنها به چگالی مشابه در شرایط مزرعه رسانده شد، بعد از 48-24 ساعت ضریب دی­الکتریک به وسیله TDR سیستم TRACE اندازه­گیری شد. خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و مینرالوژیکی خاک­ها نیز اندازه­گیری شد. نتایج نشان داد با افزایش مقدار شوری خاک، ضریب دی­الکتریک خاک نیز زیادتر شده در نتیجه مقدار رطوبت خاک اندازه­گیری شده با TDR بیش از مقدار واقعی نشان داده می­شود. مقدار آب پیوندی[3]باعث کاهش مقدار ضریب دی­الکتریک می­شود، که نتیجه این عمل پایین نشان دادن مقدار رطوبت حجمی در خاک با
بافت های سنگین شد و این کاهش مقدار ضریب دی­الکتریک در اثر تغییر قطبیت ملکول های آب اتفاق می­افتد. برای خاک های مورد مطالعه یک نقطه برگشت[4]به دست آمد، که در این نقطه اثر آب پیوندی و شوری در ضریب دی­الکتریک یکسان است. نتایج نشان داد که فقط در این نقطه معادله خطی مقدار دقیق رطوبت را نشان می­دهد، در زیر این نقطه اثر آب پیوندی باعث تخمین زیادتر مقدار رطوبت و بالای این نقطه باعث تخمین کمتر مقدار رطوبت در خاک می­شود. مقدار نقطه برگشت با افزایش مقدار شوری کاهش پیدا می­کند. به طور کلی نتایج نشان می­دهد برای اندازه­گیری میزان رطوبت حجمی خاک با TDR بهتر است نوع شوری و نوع مینرالوژی در معادله واسنجی قرار داده شود زیرا این پارامتر­ها می­توانند خطای زیادی در اندازه­گیری میزان رطوبت حجمی خاک داشته باشند.
 
[1]. Time Domain Reflectometry
[2] Dielectric Constant
[3]. Bound water                        
[4]. Turning point

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effects of Clay Content and Salinity on Volumetric Water Content Using Time Domain Reflectometry

نویسندگان [English]

  • Davood Namdar Khojasteh 1
  • Mahdi Shorafa 2
  • Z. Eskandari 3
  • M. Fazeli sanghani 4
1 Graduate Student, Department of Soil Science, Faculty of Agricultural Engineering and Technology, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Associate Professor, Faculty of Agricultural Engineering and Technology, University of Tehran, Karaj, Iran
3 Assistant Professor Agricultural and Natural Resources Research Institute, University of Tehran, Karaj
4 MSc. Student of Soil Science Department, University of Tehran, Karaj, Iran
چکیده [English]

Measurement of soil water content is important in hydrology, agriculture, and pedology. To this end, use of methods that can measure soil water content in a natural and safe condition with high speed and accuracy is very important. Recently, the use of Time Domain Reflectometry (TDR) has become common for quick measurement of soil salinity and volumetric water content.  This study aimed to assess the effect of clay content and soil salinity on dielectric constant (volumetric water content) in saline and non–saline soils. At all five sites, both the topsoil (0–0.3 m depth) and the subsoil (0.3–0.6 m depth) were sampled. These soil samples were poured into 15-20 cylinders (sub-samples) depending on their clay content.  Afterwards, pure water was repeatedly added to some sub-samples at the rate of 0.025 m3 m-3, while the others received 0.03m3m-3 saline water ( EC of 0.41,0.81,1.53,2.6,3.49,4.71 dSm-1) in repeated doses until the water content was close to saturation in each subsample. The samples were then weighed and packed to reach the same bulk density as originally measured in the field. After 24-48 hrs, the TDR measurement was performed. Soil physico-chemical parameters, including organic matter, clay, silt, and sand contents and clay mineralogy were determined. The results showed that higher soil salinity increased soil dielectric constant i.e. both the rise time of the reflected signal and the total time delay increased, resulting in overestimation of soil moisture. The bound water in clay soil reduced the time delay because of its lower dielectric constant caused by specific surface area and affected on polarity of water near the particles, resulting in underestimation of soil water content. There is a turning point moisture, at which the effect of bound water is balanced by the effect of soil electrical conductivity. Also results show that only in one point linear model shows an accurate water measurement; below this point, bound water effect dominates and TDR underestimates soil moisture. Above this point, the effect of soil EC dominates and TDR overestimates soil moisture. This turning point moisture decreases as the soil salinity increases. Overall, the results show that for accurate measurement and avoidance of large errors in measurement of volumetric water content with TDR, salinity and mineralogy of clay content must be included in the calibration equation. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bound water
  • soil electrical conductivity (EC)
  • Time domain reflectometry (TDR)
  • Volumetric water content

مراجع

  1. De Loor, G.P. 1968. Dielectric properties of heterogeneous mixtures containing water. J. Microwave Power 3(2):67–73.
  2. Dirksen, C., and Dasberg, S. 1993. Improved Calibration of Time Domain Reflectomery Soil water Content Measurements. Soil Sci. Soc. Am. J. 57: 660-667.
  3. Friedman, S.P., 1998. A saturation degree-dependent composite spheres model for describing the effective dielectric constant of unsaturated porous media. Water Resour. Res. 34 (11): 2949–2961.

 

  1. Y, Q., and Z. sun.2003. The effects of soil bulk density, clay content and temperature on soil water content measurement using time-domain reflectometry.Hydrol.Process.17: 3601–3614.
  2. Gur, Y.I, Ravina, I., and Babchin, A. J. 1978, On the Electric Double Layer Theory. II. The Poisson – Boltzmann Equation Including Hydration Forces. J. Colloid Interface Sci. 64:333-341.
  3. Hilhorst MA, Dirksen C, Kampers FWH, Feddes RA. 2001. Dielectric relaxation of bound water versus soil matric pressure. Soil Sci. Soc. Am. J.65: 311–314.
  4. Hook, W.R. and Livingston, J. 1995. Propagating Velocity Errors in Time Domain Reflectometry Measurement of Soil Water. Soil Sci. Soc. Am. J. 59:92-96.
  5. Jacobsen, O.H., Schjønning, P. 1993. A laboratory calibration of time domain reflectometry for soil water measurement including effects of bulk density and texture. J. Hydrol. 151: 147–157.
  6. Malicki MA, Walczak RT, Koch S, Fluhler H. 1994. Determining soil salinity from simultaneous readings of its electrical conductivity and permittivity using TDR. In Symposium and Workshop on Time Domain Reflectometry in Environmental, Infrastructure, and MiningApplications, United States Department of Interior Bureau of Mines: 328–336.
  7. Metsik, M.S. 1972. Properties of water films between mica plates. In: Surface forces in the thin films and disperse systems. (Svojstva vodnich plenok mezhdu plastinkami slyudy. In: Poverkhnostniye sily v tonkhikh plenkakh) (In Russian). Nauka Publishers, Moscow, pp.189–196.
  8. Or D, Wraith JM. 1999. Temperature effects on soil bulk dielectric permittivity measured by time domain reflectometry: a physical model. Resources Research 35: 371–833Water.
  9. Cosenza, A. Tabbagh. 2004. Electromagnetic determination of clay water content:role of the microporosity .Clay Science 26: 21– 36.
  10. Rhoades, J.D., Manteghi, N.A., Shouse, P.J., Alves, W.J., 1989. Soil electrical conductivity and salinity: new formulations and calibrations. Soil Sci. Soc. Am. J. 53: 433–439.
  11. Roth, K., Schulin, R., Fluhler, H., and and Attinger, W. 1990. Calibration of time domain reflectometry for water content measurement using a composite dielectric approach. Water Resour. Res. 26:2267-2273
  12. Shang, J. Q. 1994. Quantitative Determination of Potential Distribution in Stern-Gouy Double layer Model. Can. Geotech. J. 31: 624-636.
  13. Sun ZJ, Young GD, McFarlane R, Chambers BM. 2000. The effect of soil electrical conductivity on moisture determination using time domain- reflectometry in sandy soil.Canadian Journal of Soil Science 80(1): 13–22.
  14. Topp GC, Davis JL, Annan AP. 1980. Electromagnetic determination of soil water content: measurements in coaxial transmission lines. Water Resources Research 16: 574–582.
  15. Topp GC, Zeglin S, White 2000. Impacts of real and imaginary components of relative permittivity on time domain reflectometry measurements in soil.Soil Science Society of America Journal 64: 1244–1252.
  16. White, I., Knight, J.H., Zegelin, S.J., and Topp, G.C. 1994, Comments on ‘Consideration on the use of time-domain reflectometry (TDR) for measuring soil water content’ by W.R. Whalley.Euro. J. Soil Sci. 45: 503-508.
  17. Wyseure, G.C.L., Mojid, M.A., Malik, M.A. 1997. Measurement of volumetric water content by TDR in saline soils. Eur. J. Soil Sci. 48: 347–354.
پژوهش های خاک
دوره 25، شماره 2
شهریور 1390
صفحه 103-112

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار