Anisotropy of unsaturated hydraulic properties of compacted mineral capping systems seven years after construction

Beck‐Broichsitter, Steffen; Fleige, Heiner; Dušek, Jaromír; Gerke, Horst H.

doi:10.1016/j.still.2020.104702

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“…θ r (cm 3 cm −3 ) For the SWRC as a capacity function, the structural macroporosity is on the one hand not fully in the range of measurement by the HYPROP, and on the other hand, the pore volume fraction occupied by macropores is often relatively small compared to the bulk pore volume [32] and is difficult to detect considering the measurement limitations. However, for the hydraulic conductivity function as an intensity function, the bimodality is more pronounced because the hydraulic conductivity is highly dependent on pore size and pore connectivity and much less on the pore volume [71,72]. Therefore, the SHCC is multimodal for almost all samples, but notably for Apg_TOP_I, Apg_TOP_II, and Btg_BOT_III (Figures 4 and 5).…”

Section: Sample Namementioning

confidence: 99%

Estimation of Stagnosol Hydraulic Properties and Water Flow Using Uni- and Bimodal Porosity Models in Erosion-Affected Hillslope Vineyard Soils

et al. 2021

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Erosion has been reported as one of the top degradation processes that negatively affect agricultural soils. The study objective was to identify hydropedological factors controlling soil water dynamics in erosion-affected hillslope vineyard soils. The hydropedological study was conducted at identically-managed Jastrebarsko (location I), and Jazbina (II) and (III) sites with Stagnosol soils. Soil Hydraulic Properties (SHP) were estimated on intact soil cores using Evaporation and WP4C methods; soil hydraulic functions were fitted using HYPROP-FIT software. For Apg and Bg/Btg horizons, uni- and bimodal soil hydraulic models could be well fitted to data; although, the bimodal model performed better in particular cases where data indicated non-uniform pore size distribution. With these SHP estimations, a one-year (2020) water flow scenario was simulated using HYDRUS-1D to compare water balance results obtained with uni- and bimodal hydraulic functions. Simulation results revealed relatively similar flux distribution at each hillslope position between the water balance components infiltration, surface runoff, and drainage. However, at the bottom profile at Jastrebarsko, bimodality of the hydraulic functions led to increased drainage. Soil water storage was reduced, and the vertical movement increased due to modified soil water retention curve shapes. Adequate parameterization of SHP is required to capture the hydropedological response of heterogenous erosion-affected soil systems.

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Section: Sample Namementioning

confidence: 99%

Estimation of Stagnosol Hydraulic Properties and Water Flow Using Uni- and Bimodal Porosity Models in Erosion-Affected Hillslope Vineyard Soils

et al. 2021

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“…After decomposition, old root channels become a passage for new roots and earthworms (Pagenkemper et al, 2015; White & Kirkegaard, 2010) resulting in a continuous re‐organisation of associated pore spaces. Roots can also indirectly form pores by enhancing crack formation through water extraction and intense drying/wetting cycles (Beck‐Broichsitter et al, 2020; Rasse et al, 2000; Uteau et al, 2013). Gradients in matric potentials were reported at the root surface with pF values near the wilting point while the bulk soil still showed matric potentials around pF = 3 (Carminati et al, 2011).…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Millimetre scale aeration of the rhizosphere and drilosphere

Uteau

Horn²,

Peth

2022

European J Soil Science

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Soil aeration is a critical factor for oxygen‐limited subsoil processes, as transport by diffusion and advection is restricted by the long distance to the free atmosphere. Oxygen transport into the soil matrix is highly dependent on its connectivity to larger pore channels like earthworm and root colonised biopores. Here we hypothesize that the soil matrix around biopores represents different connectivity depending on biopore genesis and actual coloniser. We analysed the soil pore system of undisturbed soil core samples around biopores generated or colonised by roots and earthworms and compared them with the pore system of soil, not in the immediacy of a biopore. Oxygen partial pressure profiles and gas relative diffusion was measured in the rhizosphere and drilosphere from the biopore wall into the bulk soil with microelectrodes. The measurements were linked with structural features such as porosity and connectivity obtained from X‐ray tomography and image analysis. Aeration was enhanced in the soil matrix surrounding biopores in comparison to the bulk soil, shown by higher oxygen concentrations and higher relative diffusion coefficients. Biopores colonised by roots presented more connected lateral pores than earthworm colonised ones, which resulted in enhanced aeration of the rhizosphere compared to the drilosphere. This has influenced biotic processes (microbial turnover/mineralization or root respiration) at biopore interfaces and highlights the importance of microstructural features for soil processes and their dependency on the biopore's coloniser.

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“…Se observó que la inclusión del CC tuvo efecto solamente en los poros más grandes que se corresponden con el estado de suelo saturado y cercano a saturación. Beck-Broichsitter et al (2020a) en un suelo franco arenoso reportaron un comportamiento isótropo de K a las tensiones de -1, -5 y -10 cm en un tratamiento con una pastura de poa (Poa pratensis L.) y festuca.…”

Section: Sitiounclassified

“…También asociaron estos resultados a bioporos verticales, que se observaron en el campo y son el resultado de la actividad de la macrofauna del suelo y del desarrollo de las raíces. Beck-Broichsitter et al, (2020a) reportaron mayores valores de K0 en las muestras verticales respecto a las horizontales en un suelo franco arenoso. Asociaron los resultados a la presencia de macroporos debido al pronunciado potencial de enraizamiento profundo de la alfalfa que da lugar a una conectividad modificada de la red de poros orientada verticalmente.…”

Section: Sitiounclassified

“…Algunos autores reportaron mayor conductividad hidráulica saturada (Ks) en dirección vertical que en dirección horizontal, particularmente en suelos bien estructurados (Bathke y Cassel, 1991;Bouma, 1982;, debido a la existencia de canales de raíces y lombrices (Germer y Braun, 2015;Peng y Horn, 2008), o a la presencia de grietas en horizontes arcillosos (Dabney y Selim, 1987;Dörner y Horn, 2009). Por otro lado otros autores reportaron mayor Ks en dirección horizontal que en dirección vertical, principalmente en suelos estratificados (Bouwer y Rice, 1967;Childs et al, 1957;Deng y Zhu, 2015;Kanwar et al, 1989;Widomski et al, 2013), suelos arcillosos compactados (Basak, 1972;Mitchell et al, 1965), suelos compactados por tránsito agrícola pesado (Dörner y Horn, 2006, 2009Horn et al, 2020;Soracco et al, 2015) o debido a la presencia de agregados planos orientados horizontalmente (Beck-Broichsitter et al, 2020a;Lozano et al, 2013;Soracco et al, 2010), siendo esta estructura laminar más propensa a generarse en suelos limosos bajo SD continua. Aunque la distribución de tamaño de poros, al tratarse de un parámetro escalar, no debería cambiar con la dirección de muestreo, también hay reportes de su comportamiento anisótropo.…”

Section: Introductionunclassified

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Redistribución del agua en el perfil del suelo bajo siembra directa

Polich

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En los últimos años, bajo el doble impacto del cambio climático y la actividad humana, ha crecido la preocupación por la utilización del agua a nivel mundial. Ya que el suelo es la principal fuente de agua para la absorción de las plantas, la gestión del estado del agua en el mismo es crucial en los sistemas agrícolas, sobre todo en sistemas frágiles donde la disponibilidad del recurso encuentra limitaciones en el tiempo. El análisis del uso de agua para la agricultura debe contemplar cuidadosamente la interacción entre las diversas fuentes poniendo de manifiesto el papel del suelo como depósito de humedad y por lo tanto la interacción suelo-agua. La siembra directa (SD) fue propuesta como un sistema de producción agrícola con menor degradación de suelos y uso más eficiente del agua. Sin embargo, frecuentemente la SD se practica en sistemas agrícolas simplificados, lo que genera efectos negativos sobre la calidad física del suelo. Varios autores han reportado que la disminución de la calidad física puede limitar la profundidad y el volumen del suelo explorado por las raíces para absorber agua y nutrientes. Entre las prácticas sugeridas para preservar la fertilidad física de los suelos bajo SD se encuentran los cultivos de cobertura (CC). Su inclusión implica mayor crecimiento de raíces y actividad biológica, que mejora la estructura del suelo. Un suelo mejor estructurado tiene un sistema poroso más adecuado para el desarrollo de las plantas y mejores propiedades hidráulicas, favoreciendo la entrada de agua al sistema. Sin embargo, el impacto de los CC en las propiedades físicas de los suelos es inconsistente y fenómenos como la anisotropía de las propiedades hidráulicas y el comportamiento histerético de la curva de retención hídrica (CRH) no han sido utilizados para analizar los cambios inducidos en la configuración de los poros del suelo. Esta alteración del sistema poroso afecta directamente la redistribución del agua dentro del perfil del suelo y hacia las raíces de las plantas, que es un proceso complejo y ha sido poco estudiado, particularmente en los suelos de nuestro país. Los principales objetivos de la presente tesis fueron: (i) evaluar el impacto de los CC sobre indicadores estáticos y dinámicos de calidad física en relación con el barbecho desnudo, en suelos característicos de la Región Pampeana bajo SD; (ii) evaluar el impacto de los CC sobre la configuración del sistema poroso del suelo y las propiedades hidráulicas en flujo saturado y no saturado analizando el comportamiento direccional preferencial; (iii) evaluar la histéresis de la CRH y su modificación por la inclusión de CC en suelos bajo SD, en laboratorio y a campo; (iv) cuantificar y analizar el proceso de redistribución de agua en distintos tipos de suelos con y sin CC relacionándolo con el comportamiento histerético que presentan. Para cumplir estos objetivos se evaluó el efecto de los CC, en comparación con un barbecho desnudo, en tres sitios de la Región Pampeana bajo SD (Chascomús (CHA), Argiudol abrúptico; Pergamino (PER), Argiudol típico y Gral. Villegas (VIL), Hapludol típico). Se evaluó el efecto de los CC sobre indicadores estáticos y dinámicos de calidad física de suelos, así como sobre las curvas de retención hídrica y conductividad hidráulica para caracterizar el suelo en flujo no saturado. Se analizó el efecto de la dirección de muestreo sobre la porosidad y la conductividad hidráulica saturada y no saturada. Se indujeron procesos de humedecimiento y secado en muestras de suelo no disturbadas y se analizaron ciclos de humedecimiento y secado mediante el uso de sensores a campo con la finalidad de evaluar el efecto de la configuración del sistema poroso sobre el fenómeno de histéresis en distintos tipos de suelos con y sin CC. Finalmente se analizó el proceso de redistribución de agua relacionándolo con el comportamiento histerético y la direccionalidad de la muestra. El efecto de los CC sobre los indicadores estáticos se evidenció solo en CHA, con incrementos en la porosidad total y la macroporosidad (0,02 m3 m-3 y 0,05 m3 m-3). Al incorporar al análisis indicadores dinámicos se evidenció un efecto del CC en los tres sitios estudiados. En CHA y VIL la incorporación del CC aumentó la conductividad hidráulica saturada, y no tuvo efecto en el rango cercano a saturación (de 0,5 cm h-1 a 1,9 cm h-1 y de 7,1 cm h-1 a 12,7 cm h-1, respectivamente). En PER la incorporación del CC generó una disminución de la conductividad hidráulica saturada y en el rango cercano a saturación (de 6,3 cm h-1 a 3,3 cm h-1). De esta manera se concluye que los CC en sistemas bajo SD tienen mayor impacto en los indicadores dinámicos dependiendo del tipo de suelo y que su influencia en la función de conductividad hidráulica en el rango saturado y cercano a saturación muestra distintos comportamientos según el tipo de suelo. El estudio de la direccionalidad de la muestra sobre la porosidad generó resultados que comprueban que la porosidad es una propiedad escalar. Al analizar indicadores dinámicos se encontró que la incorporación de CC afecta la anisotropía de las propiedades hidráulicas favoreciendo la dirección vertical, con mayor efecto en los suelos de textura gruesa. Al estudiar la configuración del sistema poroso mediante el modelo de bimodalidad se encontró que en suelos de textura gruesa los dominios de porosidad de la matriz y la estructura tienden a estar más cercanos con un menor rango total, respecto a los suelos de textura fina, caracterizándose de esta manera como suelos con una distribución de porosidad tendiente a la unimodalidad. También se evidencia que el efecto de los CC se manifiesta sobre el dominio estructural que se corresponde con los poros existentes entre los agregados del suelo. Al estudiar el fenómeno de histéresis los resultados generales observados indican que el fenómeno de histéresis no es despreciable y debe tenerse en cuenta. La inclusión de CC generó un aumento del fenómeno de histéresis de la CRH del suelo sobre todo en suelos de textura gruesa. Estos resultados indican que el fenómeno de histéresis puede ser afectado por prácticas de manejo que afecten la estructura y funcionalidad del sistema poroso. La incorporación del CC generó un proceso más lento de redistribución y se observó una correlación positiva entre el grado de histéresis y el tiempo de redistribución, es decir que la redistribución del agua es retardada por el efecto de histéresis. Esto puede tener importancia para la absorción de agua por las raíces de las plantas ya que se reducen significativamente las pérdidas en la zona radical.

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Anisotropy of unsaturated hydraulic properties of compacted mineral capping systems seven years after construction

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Estimation of Stagnosol Hydraulic Properties and Water Flow Using Uni- and Bimodal Porosity Models in Erosion-Affected Hillslope Vineyard Soils

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Redistribución del agua en el perfil del suelo bajo siembra directa

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