Opis stanu fizycznego gleby jako ośrodka nieuporządkowanego na przykładzie krzywych retencji wody

model retencji wody w glebie, opis struktury gleby, wiązanie wody w glebie w mikroskali

Modele retencji i przepływu wody w glebie są istotnym składnikiem wiedzy o środowisku otaczającym człowieka. Fizyczne i chemiczne właściwości wody powodują, że modyfikuje ona wszystkie zjawiska zachodzące w glebie. Począwszy od rozpuszczania niemal wszystkich substancji i ich przenoszenia w roztworze, poprzez modyfikację własności hydrofizycznych, mechanicznych i termicznych, woda w glebie wyznacza jej faktyczne właściwości. Większość parametrów fizycznych gleby może być modyfikowana poprzez regulację uwilgotnienia. Optymalizacja stosunków wodnych panujących w glebie zmierza przede wszystkim do stworzenia najlepszych, pod względem fizycznym, biologicznym i ekonomicznym, warunków wzrostu i rozwoju roślin. Można więc powiedzieć, że obecność wody w glebie określa i wyznacza wszystkie ważne jej funkcje. Poznanie wodnych właściwości gleb jest więc podstawowym warunkiem do zrozumienia i opisu jej pozostałych funkcji. Na podstawie uzyskanej wiedzy możliwa jest konstrukcja modeli wielu procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych, które opisują przepływ i wiązanie wody i soli w glebie. Modele takie umożliwiają symulację wiązania i przepływu wody, degradacji i przenoszenia składników pokarmowych i zanieczyszczeń, a zatem symulację najważniejszych funkcji gleby. Planowanie czy efektywne działanie w rolnictwie nie jest możliwe bez użycia podstawowych modeli: zużycia wody, plonowania roślin, czy też wpływu zmian klimatu na produktywność roślin. Wiarygodne użycie modeli w skali pola uprawnego i większych obszarów, ograniczone jest aktualną dostępnością danych zarówno o właściwościach roślin jak i gleby. Postęp w technice komputerowej umożliwił modelowanie procesów agrofizycznych na niespotykaną dotychczas skalę. Z dużą ostrością ujawnił się więc problem zapewnienia danych dla modeli. Dokładność modelowania zależy w dużym stopniu od tego, jak dokładnie potrafimy zmierzyć lub przewidzieć parametry fizyczne gleby w warunkach pola uprawnego. Wzrasta więc znaczenie metod estymacji parametrów fizycznych gleb, na podstawie znanych, stałych lub wolnozmiennych ich charakterystyk, które mogą być zmierzone raz a wykorzystane wielokrotnie po uzupełnieniu o proste pomiary aktualnego stanu gleby na polu uprawnym. Szczególnie istotnymi z punktu widzenia modelowania komputerowego są para¬metry hydrofizyczne gleb: zależność energii wiązania wody w glebie od wilgotności (krzywa retencji wody krzywa pF), oraz zależność przewodnictwa wodnego od wilgotności lub potencjału wody glebowej. Te dwie charakterystyki w sposób kluczowy wpływają na dokładność wyników modelowania, są jednak kosztowne i trudne do uzyskania. Wysokie koszty pomiarów hydrofizycznych charakterystyk gleb w połączeniu z czasochłonnością pomiarów skłaniają do poszukiwania metod ich estymacji. Ze względu na wewnętrzną złożoność potraktowano tu glebę, która jest ośrodkiem żywym i zmiennym, w sposób uproszczony tak by możliwe było wyciąganie wniosków z małej liczby jej najważniejszych parametrów. Uznano, że gleba jest ośrodkiem trójfazowym złożonym z cząstek stałych o różnych wymiarach i kształtach rozłożonych w przestrzeni w sposób nieuporządkowany, roztworu glebowego o zmiennym składzie, zwilżającego części stałe gleby, oraz składowej gazowej o składzie mogącym znacznie odbiegać od składu powietrza atmosferycznego. Charakterystyczną cechą fazy stałej gleby jest jej bezładne rozłożenie w zajmowanej przez glebę przestrzeni. Rozłożenie to spowodowane jest wzajemnymi oddziaływaniami pomiędzy poszczególnymi składnikami gleby. Główne siły jakie należy wyróżnić w tym kontekście to: siła grawitacji oddziałująca na wszystkie składniki gleby, proporcjonalna do ich masy i skierowana pionowo w dół, siły adhezji działające pomiędzy cząsteczkami wody glebowej i cząstkami fazy stałej oraz siły oddziaływania cząstek stałych na siebie, przeciwdziałające przemieszczeniom cząstek ku sobie w przypadku wystąpienia ich mechanicznego kontaktu. Do opisu nieuporządkowanego ośrodka ziarnistego jakim jest gleba, zastosowano opartą na założeniach statystyki, teorię ośrodków ziarnistych, a w szczególności teorię radialnych funkcji rozkładu. Zaproponowany opis krzywych retencji wody gleb wynika z opisu fizycznego retencji wody pomiędzy ziarnami fazy stałej, a po zastosowaniu odpowiedniej metody uśredniania daje w wyniku wilgotność reprezentatywną dla makroskopowych próbek gleby. Tutaj za makroskopowe uznaje się próbki o objętości 100 cm³ jakich używa się do standardowych oznaczeń laboratoryjnych, a skala mikroskopowa wyznaczona jest rozmiarami ziaren fazy stałej w glebie. W związku z mikroskopowym podejściem do analizy krzywych retencji wody należy podkreślić fakt, że woda w glebie w zakresie potencjałów tu rozważanych gromadzi się głównie w pobliżu miejsc gdzie cząstki stałe stykają się ze sobą. Fakt ten ogólnie znany, i od dawna dobrze zrozumiany, jest jednak zaniedbywany w modelowaniu. Pojęcie soczewki wodnej odnoszące się do wody pomiędzy dwoma cząstkami stałymi nie znalazło właściwego miejsca w modelowaniu właściwości wodnych gleb i zwykle zastępowane jest definiowanym ad hoc na potrzeby każdego modelu, pojęciem "por" czy "kapilara glebowa". Właściwości wodne ośrodka modelowego zależeć muszą zatem od liczby par cząstek sąsiadujących ze sobą, a nie od liczby cząstek jak dotychczas zakłada się w modelowaniu właściwości fizycznych gleb.