Effects of Water Content and Salinity on Soil Electrical Properties at 50 MHz: Structural and Textural Interactions

The use of dielectric methods for estimating water content and electrical conductivity in saturated and partially saturated porous media is one of the major innovations in soil physics over the past decades. One example of a dielectric sensor is the 50 MHz Hydra Probe. The Hydra Probe is an impedance device that operates at a fixed frequency measuring both components of the complex soil dielectric permittivity response. The general objectives of this research were to: i. improve the understanding of the relationship between soil physical and electrical properties measured at 50 MHz using the Hydra Probe sensor, ii. evaluate the effects of texture, disturbance and salinity on the estimation of water content using the 50 MHz sensor, and iii. develop new models for predicting soil pore solution conductivity from soil electrical properties at 50 MHz. Disturbed and undisturbed duplicate samples from a range of soil textures (Clay, Silty Clay Loam, and Sandy Loam) were saturated with distilled-deionized water and saline solutions at four concentrations: KCl and CaCl2 at 0.01 and 0.02 Mol L-1 for three days and then air dried under laboratory conditions. Real and imaginary components of the dielectric permittivity were measured every 5 minutes by the Hydra Probe. Load cells recording changes in sample weight over time, which were later converted into volumetric water content, were also logged. Soil bulk apparent conductivity was calculated from the imaginary permittivity. I found that there was no benefit in including the imaginary dielectric permittivity, or a correction for the loss tangent, in models for estimating water content at 50 MHz. Based on the results, Clay soils should be assessed independently when developing calibration equations for the Hydra Probe. Furthermore, the sensor’s water content estimations are sensitive to soil disturbance. New models for estimating the pore solution conductivity were developed. These are dielectric equivalents of Rhoades type two-pathway models based on linear and power law solutions for the transmission coefficient. Overall the average soil solution conductivity predicted by the new models compared favorably to that of the saturating solutions for conductivities greater than about 1.23 dS m-1

Physics of Soil and Other Natural Porous Media

The purpose of this monograph is to review the early theoretical basis of what is known today as soil physics and to serve as a textbook for intermediate porous media physics or transport in porous media graduate courses.Comment: 219 pages, 42 figure

Water retention and penetration resistance equations for the least limiting water range

The least limiting water range is a soil physical quality indicator, which is useful to predict the optimum water range for plant growth in a given soil and to study the effects of soil use and management over this optimum water range by integrating the effects of available water, penetration resistance and air filled porosity. This study tested six equations to fit water retention and penetration resistance surface responses used to determine the least limiting water range and present a simple algorithm written in the open source software R for fitting, calculation and visualization of the least limiting water range. Five soils from Brazil and Canada, under different use and management conditions were used to test the functions. The results show that the three water retention surface responses had good statistical properties for fitting water retention and that two of the penetration resistance surface responses were adequate to fit the data, while one failed to achieve convergence in two instances. The open source code performed as well as the commercial statistical package SAS for fitting the penetration resistance and water retention equations

Modelagem de movimento horizontal de água no solo utilizando a teoria dos fractais

A matemática fractal tem sido utilizada para caracterizar o transporte de água e solutos em meios porosos e também para simular características físicas e geométricas de meios porosos. O objetivo deste trabalho foi avaliar a correlação entre os parâmetros de infiltração de água sortividade e expoente de tempo (n) e os parâmetros dimensão fractal (D) e expoente de Hurst (H). Para isso, dez colunas horizontais foram simuladas em computador, sendo preenchidas com material de textura franca ou argilosa, puros ou em combinações de camadas alternadas dos dois materiais, seguindo a distribuição de um Conjunto de Cantor determinístico com dimensão fractal 0,63. As simulações de movimento horizontal de água foram realizadas no modelo numérico Hydrus 2D. Os parâmetros sortividade (S) e expoente de tempo (n) da equação de Philip foram estimados para cada simulação, utilizando o módulo de regressão não linear do software SAS®. A sortividade aumentou com o aumento de material de textura franca nas colunas, o que foi atribuído à dependência do parâmetro S no raio capilar. O parâmetro expoente de tempo estimado por regressão não linear mostrou valor menor que o valor empírico de 0,5 sugerido na literatura. A dimensão fractal estimada utilizando o expoente de Hurst foi 17,5 % menor do que a dimensão fractal do Conjunto de Cantor utilizado para gerar as colunas.Fractal mathematics has been used to characterize water and solute transport in porous media and also to characterize and simulate porous media properties. The objective of this study was to evaluate the correlation between the soil infiltration parameters sorptivity (S) and time exponent (n) and the parameters dimension (D) and the Hurst exponent (H). For this purpose, ten horizontal columns with pure (either clay or loam) and heterogeneous porous media (clay and loam distributed in layers in the column) were simulated following the distribution of a deterministic Cantor Bar with fractal dimension H" 0.63. Horizontal water infiltration experiments were then simulated using Hydrus 2D software. The sorptivity (S) and time exponent (n) parameters of the Philip equation were estimated for each simulation, using the nonlinear regression procedure of the statistical software package SAS®. Sorptivity increased in the columns with the loam content, which was attributed to the relation of S with the capillary radius. The time exponent estimated by nonlinear regression was found to be less than the traditional value of 0.5. The fractal dimension estimated from the Hurst exponent was 17.5 % lower than the fractal dimension of the Cantor Bar used to generate the columns

Critérios estatísticos na seleção de parâmetros para avaliação da resistência do solo à penetração

ABSTRACTMeasurements of soil penetration resistance (SR) have been frequently used for the evaluation of soil structural quality for plant growth. However, different data analysis approaches have been used, without a previous evaluation of their statistical quality. In this study we tested the hypothesis that the mean is the parameter with best statistical properties to evaluate alterations in soil penetration resistance in response to soil use and management, as compared to other SR statistical parameters. Undisturbed (5 × 5 cm) soil cores were collected from three sampling sites with different degrees of compaction: an undisturbed site under native scierophylous forest (NC); a site under short-duration grazing with post-grazing residue maintained at 2.0 to 2.5 Mg (Total Dry Matter) TDM ha-1 (LR); and a site under short-duration grazing with post-grazing residue maintained at 3.0 to 3.5 Mg TDM ha-1 (HR). The statistical quality of the parameters from undisturbed soil samples of SR profiles: mean (x), median (M), maximum (max), percentage of linear penetrability at 2 MPa (PLP2MPa), and the parameters from Probit analysis intercept (n) and slope (m) was evaluated using the ANOVA and LSD tests. Results from the F ratio, P > F values and LSD tests show that mean, median and maximum were the parameters with better statistical properties as criteria to evaluate alterations in soil penetration resistance in response to soil use and management as compared to other statistical SR parameters, validating the hypothesis of the research. __________________________________________________________________________________________ RESUMOA quantificação da resistência do solo à penetração (RP) é freqüentemente utilizada na avaliação da qualidade estrutural do solo para o crescimento de plantas. Diferentes abordagens têm sido utilizadas na análise de dados de RP, e na maioria dos casos, sem uma avaliação prévia da qualidade estatística dos parâmetros. Neste trabalho foi testada a hipótese de que a média é o parâmetro com melhores propriedades estatísticas como critério para avaliação de alterações na resistência à penetração do solo em resposta ao uso e manejo do solo, em relação a outros parâmetros estatísticos derivados de conjuntos de dados de RP. Amostras indeformadas de solo (5 × 5 cm) foram coletadas em locais com diferentes graus de compactação: Cerrado nativo (CN); pastejo rotacionado, com nível de resíduo pós-pastejo mantido entre 2,0 e 2,5 Mg (Matéria Seca Total) MST ha-1 (RB); e pastejo rotacionado, com nível de resíduo pós-pastejo mantido entre 3,0 e 3,5 Mg MST ha-1 (RA). A qualidade estatística dos parâmetros obtidos dos perfis de RP: média (x), mediana (M), máximo (max), percentagem linear de penetrabilidade à 2 MPa (PLP2MPa), e os parâmetros da análise Probit: intercepto (n) e inclinação (m) foi avaliada por meio de ANOVA e pelo teste da Diferença Mínima Significativa (DMS). Os resultados da razão F, P > F e do teste DMS indicaram que a média, mediana e máximo são os parâmetros com melhores propriedades estatísticas como critério para avaliar as alterações na resistência à penetração do solo em resposta ao uso e manejo, confirmando a hipótese testada

Modelagem numérica do efeito da variação nas condições de contorno na estimativa de propriedades hidráulicas na zona vadosa

An accurate estimation of hydraulic fluxes in the vadose zone is essential for the prediction of water, nutrient and contaminant transport in natural systems. The objective of this study was to simulate the effect of variation of boundary conditions on the estimation of hydraulic properties (i.e. water content, effective unsaturated hydraulic conductivity and hydraulic flux) in a one-dimensional unsaturated flow model domain. Unsaturated one-dimensional vertical water flow was simulated in a pure phase clay loam profile and in clay loam interlayered with silt loam distributed according to the third iteration of the Cantor Bar fractal object Simulations were performed using the numerical model Hydrus 1D. The upper and lower pressure heads were varied around average values of -55 cm for the near-saturation range. This resulted in combinations for the upper and lower constant head boundary conditions, respectively, of -50 and -60 cm, -40 and -70 cm, -30 and -80 cm, -20 and -90 cm, and -10 and -100 cm. For the drier range the average head between the upper and lower boundary conditions was set to -550 cm, resulting in the combinations -500 and -600 cm, -400 and -700 cm, -300 and -800 cm, -200 and -900 cm, and -100 and -1,000 cm, for upper and lower boundary conditions, respectively. There was an increase in water contents, fluxes and hydraulic conductivities with the increase in head difference between boundary conditions. Variation in boundary conditions in the pure phase and interlayered one-dimensional profiles caused significant deviations in fluxes, water contents and hydraulic conductivities compared to the simplest case (a head difference between the upper and lower constant head boundaries of 10 cm in the wetter range and 100 cm in the drier range).A estimativa precisa e acurada de fluxos hidráulicos na zona vadosa é um fator crítico para simular o transporte de água, nutrientes e contaminantes em sistemas naturais. O objetivo deste estudo foi simular o efeito de variações nas condições de contorno na estimativa de propriedades hidráulicas do solo (isto é, conteúdo de água, condutividade hidráulica efetiva em condições não saturadas e fluxo hidráulico) em um modelo de fluxo não saturado unidimensional. Fluxo vertical não saturado unidimensional foi simulado em um perfil de material franco-argiloso puro e em material franco-argiloso intercalado com camadas de material franco-siltoso distribuído seguindo a terceira iteração de um modelo do objeto fractal Conjunto de Cantor. As simulações foram realizadas no modelo numérico Hydrus 1D. Os potenciais totais superiores e inferiores na coluna unidimensional foram variados ao redor do valor médio de -55 cm para a faixa de valores próxima da saturação. Isso resultou em combinações para potenciais constantes nos limites superior e inferior da coluna de -50 e -60 cm; -40 e -70 cm; -30 e -80 cm; -20 e -90 cm; e -10 e -100 cm, para as condições de contorno superior e inferior, respectivamente. Para o intervalo de umidade definido como mais seco o valor médio de potencial de água no solo foi fixado em -550 cm, resultando em combinações de -500 e -600 cm; -400 e -700 cm; -300 e -800 cm; -200 e -900 cm; e -100 e -1.000 cm, para as condições de contorno superior e inferior, respectivamente. Houve aumento nos conteúdos de água, fluxos e condutividades hidráulicas com o aumento no gradiente entre os valores estipulados nos limites superior e inferior do domínio. Variação nas condições de contorno nos sistemas de fase pura e em camadas resultou em desvios significativos nos fluxos, conteúdos de água e condutividades hidráulicas com relação ao caso mais simples (uma diferença de potencial total entre os limites superior e inferior fixada em 10 cm para o intervalo mais úmido e 100 cm para o intervalo mais seco)

Um algoritimo simplificado, desenvolvido em Excel®, para estimativa do intervalo hídrico ótimo dos solos

ABSTRACT: The least limiting water range (LLWR) of soils has been employed as a methodological approach for evaluation of soil physical quality in different agricultural systems, including forestry, grasslands and major crops. However, the absence of a simplified methodology for the quantification of LLWR has hampered the popularization of its use among researchers and soil managers. Taking this into account this work has the objective of proposing and describing a simplified algorithm developed in Excel® software for quantification of the LLWR, including the calculation of the critical bulk density, at which the LLWR becomes zero. Despite the simplicity of the procedures and numerical techniques of optimization used, the nonlinear regression produced reliable results when compared to those found in the literature. __________________________________________________________________________________________ RESUMOO intervalo hídrico ótimo (IHO) dos solos tem sido empregado como uma metodologia para a avaliação da qualidade física do solo em diferentes sistemas agrícolas, incluindo áreas florestais, pastagens e grandes culturas. Entretanto, a inexistência de uma metodologia simplificada para a quantificação do IHO tem dificultado a popularização do uso desta técnica entre pesquisadores e técnicos. Levando isto em consideração, este trabalho tem como objetivo propor e descrever um algoritmo simplificado, desenvolvido em planilha eletrônica Excel®, para quantificação do IHO, incluindo o cálculo da densidade do solo crítica, na qual o IHO é nulo. Apesar da simplicidade dos procedimentos e técnicas numéricas de otimização utilizados, a regressão não-linear produziu resultados confiáveis quando comparados com aqueles encontrados em literatura

Soil compressibility under non-irrigated and irrigated short duration grazing systems

O incremento da produtividade das pastagens tem sido associado ao comportamento à compressão dos solos. Os objetivos deste trabalho foram: quantificar as curvas de compressão e a pressão de preconsolidação em sistemas de pastejo intensivo rotacionado irrigado e não irrigado. Foram coletadas 96 amostras indeformadas de solo em quatro ciclos sucessivos de pastejo instalado com capim Tanzânia (Panicum maximum Jacq.) em um Argissolo Vermelho. Após saturadas com água e equilibradas no potencial (y): -10 kPa, as amostras foram pesadas e submetidas ao ensaio de compressão uniaxial com a aplicação sucessiva e contínua de pressões de 25, 50, 100, 200, 400, 600, 800, 1.000, 1.300 e 1.600 kPa. Os resultados comprovaram a hipótese de que houve diferença na compressibilidade do solo sob os sistemas de pastejo rotacionado intensivo irrigado e não irrigado. A maior compactação inicial verificada no sistema de pastejo rotacionado intensivo irrigado favoreceu o deslocamento das curvas de compressão uniaxial para valores superiores de densidade do solo. A pressão de preconsolidação foi significativamente superior no quarto ciclo de pastejo no sistema de pastejo rotacionado intensivo irrigado em relação ao sistema pastejo rotacionado intensivo não irrigado. ________________________________________________________________________________ ABSTRACTIncrement in pasture productivity has been associated with the understanding of the soil behavior under compression. The objective of this research was to quantify (a) the compression curves and (b) the preconsolidation pressure of the soils under non-irrigated and irrigated short duration grazing systems. Ninety-six undisturbed soil samples were taken from the four successive pasture cycles of Tanzania grass (Panicum maximum Jacq.) in a Hapludalf. The samples were saturated in water and equilibrated at the matrix potential (y): -10 kPa and then were weighed and submitted to an uniaxial compression test, applying the following pressures: 25, 50, 100, 200, 400, 600, 800, 1,000, 1,300, and 1,600 kPa. Results support the hypothesis that there is a difference between the soil compressibility under non-irrigated and irrigated short-duration grazing systems. The higher initial compaction verified in irrigated short-duration grazing system favored the displacement of the uniaxial compression curves for higher bulk density values. The preconsolidation pressure was significantly higher in the fourth pasture cycle under irrigated than under the non-irrigated short duration grazing system

Evaluation of soil resistance to penetration underlying soil load support capacity estimate

A pressão de preconsolidação, apesar das dificuldades inerentes à sua obtenção, representa uma medida útil do estado mecânico do solo para o seu uso, manejo e planejamento de sistemas de mecanização. A estimativa da pressão de preconsolidação, a partir de propriedades do solo facilmente mensuráveis, é, portanto, uma alternativa que pode ser utilizada para contornar as dificuldades. Os objetivos deste trabalho foram: (a) quantificar a pressão de preconsolidação e a resistência do solo à penetração, em laboratório e em campo, para um Latossolo Vermelho-Amarelo, sob pomar de laranja, e (b) estabelecer a relação entre ambos os indicadores físicos. A amostragem e as avaliações foram realizadas em oito dias consecutivos, acompanhando o secamento natural do solo. Houve relação significativa, positiva e linear entre a pressão de preconsolidação e a resistência do solo à penetração, medida no laboratório e no campo. A similaridade das relações entre resistência à penetração, obtida no campo e em laboratório, e a pressão de preconsolidação permitiu afirmar que a capacidade de suporte de carga pode ser adequadamente estimada a partir da resistência de um Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico à penetração medida diretamente no campo. __________________________________________________________________________________________ ABSTRACTThe preconsolidation pressure, despite the difficulties inherent to its measurement, provides a useful measure of the soil mechanical state for soil management and the planning of mechanization systems. The estimation of the preconsolidation pressure, based on easily measurable soil physical properties, may be relevant to solve some difficulties. The objectives of this study were: (a) to quantify the preconsolidation pressure and soil resistance to penetration measured in the laboratory and the field for a Haplustox under orange orchard, and (b) to establish relationships between these physical indicators. Sampling and evaluations were carried out on eight consecutive days to observe the natural soil drying. There was a positive, linear, and significant relationship between the preconsolidation pressure and soil resistance to penetration measured in the laboratory as well as in the field. The similarity of the relationships among soil resistance to penetration measured in the laboratory and the field and the preconsolidation pressure allowed affirming that the load support capacity for the Haplustox may be estimated from the soil resistance to penetration measured in the field

Determination of air permeability in undisturbed soil samples by the decreasing pressure method

A permeabilidade do solo ao ar (Ka) determina o fluxo convectivo de gases na matriz do solo e a troca de gases na interface do sistema solo-atmosfera, influenciando diretamente a qualidade do ambiente físico para o crescimento de plantas e a taxa de ocorrência de processos dependentes da concentração de gases no solo. A Ka pode ser estimada por um método simplificado baseado em uma modificação da lei de Darcy para fluxo de gases no solo em pressão decrescente. Os objetivos deste trabalho foram modificar e aprimorar um permeâmetro para quantificar, em laboratório, a permeabilidade de amostras indeformadas de solos ao ar utilizando o método da pressão decrescente. Foram utilizados dois sistemas de aquisição de dados: um sistema eletrônico automatizado composto por um transdutor de pressão conectado a um datalogger (E1), e alternativamente um sistema composto de um manômetro digital para registro do decréscimo de pressão e um cronômetro (E2). No sistema E1, foram avaliadas amostras da camada superficial de um Nitossolo Vermelho eutroférrico argiloso, coletadas na área experimental da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" - USP, Piracicaba, SP, e no E2 foram avaliadas amostras de um perfil de Nitossolo Vermelho distroférrico muito argiloso, coletadas em intervalos de profundidade em área experimental da Universidade Estadual de Maringá, PR. Os ensaios para a determinação de Ka foram realizados em amostras indeformadas de solo com variação na densidade do solo e no conteúdo de água. A Ka aumentou com a redução do conteúdo de água do solo em função do maior volume de poros ocupados com ar e com o decréscimo da densidade do solo devido ao aumento da porosidade total das amostras. Os resultados mostraram que o método é versátil, rápido, de fácil aplicação e baixo custo para a determinação da Ka, independente do sistema de aquisição de dados utilizados. __________________________________________________________________________________________ ABSTRACTSoil air permeability (Ka) controls the convective gas flux in the soil matrix and at the soil-atmosphere interface, directly affecting the soil physical quality for plant growth and the rate of processes that depend on the soil gas concentration. Ka can be estimated by a simplified method based on a modification of Darcy's law for gas flow in soil under decreasing pressure. The objective of this research was to modify and improve a permeameter for laboratory quantification of Ka by the falling pressure method. Two data acquisition systems were used for this purpose: an electronic-automatic system composed of a pressure transducer connected to a datalogger (E1) and alternatively, a system composed of a digital manometer for measuring the pressure decrease and a chronometer (E2). In E1, samples of the surface layer of a "Nitossolo Vermelho eutroférrico" (Alfisol) collected on the experimental farm of the Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" - USP, Piracicaba, Sao Paulo, were evaluated, while in E2 samples of a "Nitossolo Vermelho distroférrico" profile from different depths, collected from the experimental farm of the Universidade Estadual de Maringá, Maringá, PR, were evaluated. The Ka tests were performed in undisturbed samples with variability in soil bulk density and water content. Overall Ka increased with decreasing soil water content and bulk density. This can be related to the increase in air-filled porosity volume with the decrease in these two variables. The results show that the apparatus is inexpensive, versatile, fast, and simple for Ka determination, independently of the data acquisition system