The influence of uniaxial compression upon pore size distribution in bi-modal soils

單軸壓縮對孔隙尺寸分佈的影響以 bi-modal土壤為例

Soil & Tillage Research 86 (2006) 27-37碩士班一年級陳品岡79842017

大綱前言簡介材料與方法結果與討論

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前言在孔隙系統中，孔隙尺寸分佈、形狀和配置是基礎土壤特性中，影響土壤水力學的主要功能。其作用在傳輸水、氣體、溶解於不溶解的化學成分。此篇研究的目標在於用單軸壓縮試驗改變土壤孔隙系統，並且縮小範圍只用於有 bi-modal性質的土壤，運用在對數正態模式圖 (log-normal modal)上。

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bi-modal 雙峰模式一連串的數字排列，此排列有兩個常常密集產生的值。在本研究內選用的土壤，在土壤孔徑分佈圖上呈現的是兩個峰值的曲線。延伸： mono-modal 單峰

tri-modal 三峰 ( 通常無結構的孔隙分佈會呈現 mono-modal)

簡介

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Martix pore 基質孔隙 指在團粒內或土塊內的孔隙，其主要特性為影響土壤的水靜力學與流體力學。 本研究裡假設基質孔隙不包含較”粗”孔隙，因為粗孔隙會造成團粒結構不穩定。

Structural pore 結構孔隙 指在團粒與團粒或土塊間產生的孔隙，主要受到團粒大小、外型或該土壤的化育影響，一小部分的結構孔隙是未成熟土壤微生物 (pedo-edaphon) 所造成的。

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分析土壤孔隙方法直接法：

將未擾動的土壤切成細薄片，用顯微鏡觀察其結構 (Pagliai and Vignozzi, 2002) 。間接法有兩種：

應用土壤水分特性曲線的排水曲線做進一步的分析。 應用水銀孔隙度法。間接理論都須假設土壤中的孔隙是類似毛細管構造。運用拉普拉斯方程式計算土壤基質勢能

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材料與方法土樣：希臘氣候：地中海型氣候特性：有 bi-modal特性之土壤樣本大小為 100cm³室內濕度 50%壓力頭 -10, -20, -40, -100cm 使用張力計壓力頭 -330, -1000, -10000cm 使用壓力版裝置

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S 為相對飽和度 i = 1 代表 matrix pores

= 2 代表 structural pores. (Othmer et al. (1991) and Zeiliguer (1992))

and

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S

R

= 土壤水分含量 = 飽和水分含量 = 殘餘土壤水分含量 = 平均壓力頭 = 壓力頭

mhh

12 SEXPERSS

實驗值)(

1 AS h

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土壤名稱 土壤特性 預壓 (kpa)Loamy sand Entisol 壤質砂土 ( 新成土 )

結構發育不良團粒穩定度低。 不超過 100kpa

Sandy loam Entisol 砂質壤土 ( 新成土 )結構發育不良團粒穩定度低。 大約 100kpa

Sandy clay loam Alfisol 砂質黏壤土 ( 淋溶土 )

團粒穩定度高 無耕作 15年 大約 200kpa

Sandy loam Alfisol 砂質壤土 ( 淋溶土 )團粒穩定度高 冬小麥耕作後取用 不超過

100kpa

Clay loam Vertisol 黏質壤土 ( 變性土 )團粒穩定度高 無耕作 15年 不超過

100kpa

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單位水柱高度 h

(cm)

水柱高度對數 (pF)土壤水分吸力氣壓 (bar)

毛細管半徑 r(μm)

110

100330

1,00010,00015,849

012

2.5434

4.2

0.0010.01

0.1 0.33 1.0 10 15

1470/11470/101470/1001470/3301470/1,0001470/10,0001470/15,849

( 水溫 20°C )

壓力頭– pF 指數–孔隙半徑對照表

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結果與討論1.土壤水分特性曲線

將實驗數據做成水分特性曲線，運用曲線擬合，將水分特性曲線與其導數置放在同一圖中，比較新成土與淋溶土兩者再壓縮後產生的差異。新成土 (Entisol) 結構發展與團粒穩定度差，淋溶土 (Alfisol) 有穩定度高的土壤團粒。由圖 1 與圖 2.3比較

相對飽和度S(h)與壓力頭 (h)

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圖 1. 土壤水分特性曲線 S(h) 與其導數曲線 dS/d(ln h) 對照壓縮 0kPa 與 300kPa 。 此土壤團粒穩定度差。

圖 2. 土壤水分特性曲線 S(h) 與其導數曲線 dS/d(ln h) 對照壓縮 0kPa 與 300kPa 。 此土壤結構發展良好且團粒穩定度高。

經過單軸壓縮後的新成土出現了 tri-modal的現象，且其壓縮前後的曲線差異大。

淋溶土壓縮前後則並無太大變化出現了，顯示了結構發展與團粒穩定度對於壓縮產生的影響。圖 3. 比圖 2 的黏粒成份少一些，但其水分特性曲線與壓縮後的曲線與圖 2 差異極小。 12

對於結構發展良好與團粒穩定物高的土壤來說，單軸壓縮試驗對其的影響甚小。換句話說，對結構發展差與團粒穩定度差的土壤來說，單軸壓縮試驗對其影響是明顯且清楚的。

1.土壤水分特性曲線結果分析

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2.分離基質形態與結構形態的孔隙。基質孔隙與結構孔隙的排水壓力頭分界線

約 2.5μm

約 10.9μm

總孔隙度壓縮前與壓縮後的相對質

136 215

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Entisol 的團粒穩定度低，故再壓縮的表現奇特。

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對於結構發育不良的土壤，經過單軸壓縮後，孔徑分佈會產生很大的改變。

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謝謝聆聽

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