-
SOIL PHYSICS
branch of soil science
physical properties of the soil, dealing with measurement,
prediction, and control of the physical processes within the
soil
deals with the state and movement of matter and with the fluxes
and transformations of energy in the soil
understanding the mechanisms governing the behaviour of the soil
and its role in the biosphere
energy exchangeswater cyclestransportable materials
-
Soil composition
-
Soil three-phase system
-
VOLUME AND MASS RELATIONSHIPS OF SOIL CONSTITUENTS
1. Density of Solids (Mean particle d density)usually 2.6-2.7 g
cm-3quite constantOM lowers solid density2. Dry bulk densityusually
1.3 1.35 g cm-3sandy soils: 1.6 g cm-3well-aggregated and clayey
soils3. Porosityusually 0.3 0.6
coarse-textured soils < fine-textured soils, though the mean
size of individual pores is greater in the former than in the
latter
clayey soils highly variable because of swelling, shrinkage,
aggregation, dispersion, compaction and cracking
-
4. Void ratiousually 0.3 2.0used in engineering and mechanics5.
Soil wetnessa) Mass wetness (gravimetric water content)b) volume
wetness (volumetric water content)c) degree of saturation
-
relative air content of the soilnegatively related to the degree
of saturation6. Air-filled porosity (fractional air content)7.
Additional interrelationshipsa) Relation between porosity and void
ratio:b) Relation between volume wetness and degree of saturationc)
Relation between porosity and bulk density
-
d) Relation between mass wetness and volume wetnesse) Relation
between volume wetness, fractional air content, and degree and
saturation
-
STRUKTUR TANAH bahan organik bahan penyimen paling penting dalam
tanahkation polivalen Ca2+, Mg2+, dllDi Malaysia, pembaik tiruan
popular:dari getahdari kelapa sawitdari bitumendari besi (alma
steel)pembezaan paling penting antara luluhawa fizik dan kimia
adalah agen-agen fizikal tidak mengubah sifat-sifat kimia
bahan-bahan;
hanya mengubah saiz
dalam fizik tanah, sukatan kualitatif tidak digunakan
-
1. Rawatan Klasikalkultura, e.g., shifting & permenant
cultivation, bajakansistem penanamanpeminda tanah (soil
amendments)
2. Pembaiktanah tiruanPengubahsuaian Struktur Tanah
-
pembajakan sederhana dan meninggikan BO; menggalakan soil
formationtanaman barisan berterusan (jagung & kacang) dan
pembajakan intensif -> membinasakan tanah(ii) Sistem
penamanan
melalui:kesan pembutiran oleh akar (lelehan akar)perlindungan
tanah oleh kanopimenghasilkan BO yang menggalakan aktiviti biologi
dan pengagretanbajakan antara barisan < pusingan tanaman <
tanaman saka < rumput berterusandalam tanah yang hilang topsoil,
rumput boleh memulihkan tanah; mempercepatkan pembentukkan tanah
melalui peningkatan BO. Biomass rumput paling tinggipemuliharan
tanah tercurai (degraded) dengan tanaman rumput; akar rumput
memberikan kesan pengegretan yang kuatRawatan Klasikal
(i) Amalan kultura
-
(iii) Peminda tanah e.g., pengapuran, baja organik, pembajaan
kesan tak langsung - penggalakan tanaman lebih baik (BO tinggi,
perlindungan tanah)kesan langsung belum pasti lagiKaedah tiruan
(pembaik tanah)biasanya BOpengstabil struktur(i) hidrofilik serapan
air ketersusupan (infiltrability)e.g., larutan polimer spt. PVAC
(polivinal asetat), PVC (polivinal klorid), PAM (poliakrilmid)PAM
mekanisma ikatan; ikatan H antara sisi OH butir tanah dengan
polimer amid
-
(ii) Hidrofobik
ketelapan, sejatane.g., emulsi polimer (bitumen, lateks getah,
POME hidrofobik dan hidrofilik)mekanisme ikatan:
gerakan dan pemendakan unit (micelles) polimer pada permukaan
yang bercantum (spt. gam)
strong bond hidrofilikweak bond - hidrofobik
-
Ikatan antara pasir dan domain lempung
-
clay domain terdiri daripada cantuman butiran lempung (domain
lempung adalah lebih besar drp. butiran lempung).tanah yang banyak
Fe mempunyai ikatan kuat (B).
cantuman hidrofilik berion (bercas) cantuman antara ion H and
O.
bitumen mendak dan bertindak sebagai gam.
kalau domain lempung hancur (e.g., bajak selalu), agregat tanah
akan pecah mesti ada lempung.
-
Ikatan antara zarah-zarahA ikatan antara zarah oleh minicus airB
ikatan antara zarah oleh BO / polimer tak berionC ikatan sisi oleh
polimer berionD ikatan sisi dan antara zarahpengumpulan
(flocculation) pengagregatan butir lempung
-
Model Agregat (Emerson, 1959): A: kuarza koloid organik kuarzaB:
kuarza koloid organik domain lempungC: domain lempung koloid
organik domain lempung. Tiga cara cantuman:C1: muka mukaC2: sisi
mukaC3: sisi sisiD: sisi domain lempung muka domain lempung (tiada
BO) cantuman disebabkan oleh tarikan daya van der Waals ->
domain lempung bercantum untuk menstabilkan sendiri (kerana lebih
besar)
-
Penilaian Struktur Tanah1) Darjah pengagregatan2) Kestabilan
agregat3) Ciri ruang liangAnalisa Agregatayakan kering dan
basahayakan keringuntuk tanah beragregat lemah (kaw.
arid)menentukan rintangan terhadap hakisan anginayakan
basahmenentukan rintangan terhadap hakisan aircadangan kaedah
dariTiulin (1928)Yoder (1936)Kemper (1965)
-
keputusan boleh dinyatakan: 1) % pengagregatan % agregat
melebihi saiz tertentu e.g., 2 mm2) darjah pengagregatan
(zarah-zarah halus)3) Mean Weight Diameter (MWD)W = % berat tanah
bagi julat saiz agregat tertentu
= purata diameter agregat bagi julat saiz agregat tertentu
-
e.g., MWD:tanah belum diusahakan = 1.604jagung sebagai tanaman
pusingan = 0.432jagung berterusan = 0.288tanah di Malaysia (kaya
Fe) = 2.0hubungan korelasi R2 kuat antara MWD dan % pengagregatan
(0.8 0.9) Kestabilan agregatAyakan basah (cadangan de Leenheer
& de Boodt, 1959)Indeks Ketakstabilan (II):= MWDkering
MWDbasahkalau tanah stabil, MWDkering MWDbasahjika II kecil, tanah
stabilIndeks Kestabilan (SI) = 1 / II
-
2. Larutlesap dengan NaCl (Emerson):Indeks Kestabilan Agregat =
K2/K1 K2 = ketelapan akhir selepas larutlesap dengan 0.05 N NaCl K1
= ketelapan awal sebelum larutlesap dengan 0.05 N NaClK2/K1 = 0.90
(rumput berterusan 100 tahun)K2/K1 = 0.35 (penanaman
berterusan)Ujikaji: tanah dimasukkan dalam tiub larutlesap dan
ditepukan dengan air. Air akan keluar dengan kadar yang semakin
tetap (K1). Tambahkan NaCl. Na adalah dispersing agent dan akan
meleraikan tanah dan ini menjadi lebih teruk bagi tanah yang kurang
stabil. Selepas NaCl, tuang air sekali lagi dan kira K2. Dua
keadaan ekstrem:K2/K1 = 1 (sangat stabil)K2/K1 = 0 (tidak stabil
langsung)Guna teknik ini jika objektif adalah berkenaan dengan
pengurusan tanah, tetapi teknik ayakan basah dan kering untuk
objektif hakisan tanah.
-
3. Hentaman titik hujan (diameter 4-7 mm, 30 cm tinggi)kira
bilangan titik untuk memecahkan tanahkeburukan: pengagregatan tanah
adalah variable, maka pengiraan kurang tepatkaedah (2) lebih tepat
kerana mencampurkan tanah-tanah dari tempat lainkaedah (3) sesuai
untuk mengira kestabilan agregat bila dicampurkan dengan soil
conditioners
-
4. Slaking (letupan udara terperangkap)
guna campuran air dan larutan organik Henin,
Robichet & Jongerius, 1955
paling kurang tepat
-
Keseimbangan Statik Dalam Tanah Keseimbangan HidrostatikIkatan
air oleh tanah
disebabkan oleh daya van der Waals
air tanah diikat oleh beberapa jenis daya
daya rerambut (capilarity) gabungan antara 2 daya iaitu daya
lekatan (adhesive) dan lekitan (cohesive). Penting dalam tanah
tekstur kasar (spt. sandy loam).
osmotik pada lapisan dua elektrik (EDL) bagi tanah lempung,
osmotik lebih penting dari daya rerambut. Osmotik wujud dalam EDL
tetapi pasir tiada EDL kerana tiada cas (inert). Lempung ada cas
ve.
-
2. Ikatan rerambutketiga-tiga keadaan wujud kerana 2 daya
rerambutlekitan daya antara molekul-molekul samalekatan daya antara
molekul-molekul berlainanair pukal, = 0 +ve = tenaga di permukaan
> pukal (hidrofobik spt. raksa) -ve = tenaga di permukaan <
pukal (hidrofilik spt. alkali)
-
air pukal, = 0interfasa, = +veair yang bersentuh dengan udara
akan cuba mengurangkan luas permukaannya -> membentuk sfera
kerana luas permukaan sfera minumumlekitan lebih tinggi, lebih
stabilKerambutan (capillarity)
-
* sudut sentuh bergantung kepada:i) -> +ve, -ve atau 0ii)
magnitud berhubung dengan
* bagi bulatan c:luas interfasa pepejal-air = i x 1luas
interfasa air-udara = f x 1Jumlah tenaga kapilari E:
-
oleh itu: = 180 bila = + dan = 90 bila = 0 = 0 bila = - dan
-bagi tanah-air dan kaca-air, = 0 (pembasahan lengkap)bagi
raksa-kaca, = 140 (tak membasah)bagi keluli bersih-air, = 90 dan =
0 (tiada tarikan, tiada tolakan)pembasahan sangat penting supaya
air dapat dipegang oleh tanah. Jenis tanah akan mempengaruhi . akan
mengecil atau membesar sehingga E bagi kedua-dua interfasa
(cecair-udara dan pepejal-cecair) adalah minimumminimum energy =
kestabilan keadaan/sistem akan selalu dicapai apabila jumlah tenaga
diminimumkan.maka,
-
Persamaan antara air dalam salur rerambut dengan air yang
dipegang dalam liang tanah:lekitan dan lekatanketegangan
permukaan-ve tenagakerja yang diperlukan untuk membebaskan air
dalam liang tanahJumlah Keupayaan Air Tanah (JKAT) Definisi dari
ISSS Amount of work done per unit quantity of pure water to
transport reversibly and isothermally (suhu sama) an infinitesimal
quantity of water from a pool of pure water at specified elevation
at atmospheric pressure to the soil water at the point of
consideration.t = g + p + o + total graviti tekanan osmotik
(matrik)
-
Potensi graviti:
disebabkan oleh daya graviti Bumi (F = ma) potensi air tanah di
satu titik ditentukan oleh ketinggian titik tersebut relatif kepada
suatu titik rujukan dipengaruhi oleh ketinggian sahaja2. Potensi
tekanan:disebabkan oleh tekananp +ve jika > tekanan atmosfera, p
ve jika < tekanan atmosfera (suction)p ve dalam tanah disebut
sebagai potensi matrik yang disebabkan oleh daya rerambut dan
adsorptive forces yang menarik dan mengikat air dalam tanah dan
mengurangkan tenaga potensinya sehingga lebih rendah daripada air
pukal.
-
3. Potensi osmotik:solut-solut dalam air tanah mempengaruhi
sifat-sifat termodinamik air dan mengurangkan tenaga
potensinyapenting bila ada suatu membran yang lebih telap kepada
air daripada solut spt. interfasa antara akar dan tanah. boleh
dinyatakan secara kuantitatif dengan 3 cara:i) tenaga seunit jisim
J kg-1 (L2 T-2)ii) tenaga seunit isipadu J m-3 (N m-2 atau Pascal
Pa)iii) tenaga seunit berat atau kepala hidraulik H (L)Kepala
hidraulik:tinggi kolum air pada suatu tekanan (nilai +ve)1 atm:=
10.33 m tinggi kolum air= 1 x 981 x 1033= 1.013 x 106 dyne cm-2=
1.013 bar = 1013 mbarunit baru: 1 mbar = 100 Pa = 0.1 kPakelembapan
tanah pada muatan tanah (field capacity):FC = pada 100 cm H20 atau
pada 10 kPa
-
Gambarajah Kepala Hidraulikgambarajah menghubungkan H = h + z (t
= p + g)t = H = 0.4 m di semua tempat (keseimbangan statik)titik A:
p = 0.3 m (0.4 0.1) dan g = 0.1 mtitik B: p = 0.2 m (0.4 0.2) dan g
= 0.2 mtitik C: p = 0 m dan g = 0.4 m
-
Potential Diagram Bagi KererambutanA:p = 0.2 m;g = 0.0 m;t = 0.2
mBi/B0:p = 0.0 m;g = 0.2 m;t = 0.2 mC:p = -0.15 m;g = 0.35 m;t =
0.2 m (0.2-0.35)D:p = -0.3 m;g = 0.5 m;t = 0.2 m (0.2-0.5)p 0
kerana ada daya rerambut.Kalau 0, air tidak akan naik salur
rerambut
-
A:p = 0.4 m;g = 0.0 m;t = 0.4 mB:p = 0.2 m;g = 0.2 m;t = 0.4
mC:p = 0.0 m;g = 0.4 m;t = 0.4 mD:p = -0.2 m;g = 0.6 m;t = 0.4
m
-
Lengkuk Ciri Air Tanah
kaitan potential dan kandungan air dalam tanahbila bar , sedutan
dimulakan dan pengeringan tanah mengikut keluk di bawahkeluk
menunjukkan bagaimana sesuatu tanah itu mengering. Ini penting
untuk pengurusantanah pasir mengering dengan lebih cepat daripada
lempung.Nilai sedutan kemasukkan udara (AEV) = sedutan dimana liang
terbesar mula mengeluar air.
-
bila tekanan dikenakan, air yang dipegang dengan daya paling
lemah akan keluar dulu air graviti kerana air dipegang dalam ruang
rongga makro AEV pasir adalah rendah kerana rongga besar
tanah tekstur kasar (e.g., tanah berpasir) dan tanah beragregat
baik AEV rendahlengkuk graf bergantung kepada:0 1 bar: pengaruh
rerambut dan sebaran saiz liang (bergantung kepada struktur)1 bar:
tekstur dan permukaan tentu (adsorption)15 bar: berkait dengan
permukaan tentu; 10 lapisan molekul air tebalbentuk lengkuk (slope)
bergantung kepada tekstur dan struktur tanah
-
Kesan kepadatan I & II structure-dependent ( difference
between compact and aggregated soils)III texture-dependent ( no
difference between compact and aggregated soils)I liang besar lebih
pengaruhiII liang sederhana lebih pengaruhiIII liang mikro
intraagregat tidak dipengaruhi oleh kepadatan. Pada sedutan tinggi,
air dipegang dengan jerapan lebih dipengaruhi kepada tekstur
-
Histeresisbila air hujan turun dan berhenti, ada pengerakkan air
dalam tanah spt. saliran ke bawah dan penyejatan airdrp. teori,
kedua-dua kaedah serapan dan penyahserapan sepatutnya memberi
lengkuk sama kerana guna tekanan sama ttp. ini tidak berlaku =>
fenomena ini dipanggil histeresis
-
kelembapan tanah setara pada sesuatu sedutan adalah lebih besar
bagi penyahserapan dari serapanhisteresis berlaku pada alam bila
tanah kering ditimpa hujan (lengkuk - - - - - - dipatuhi)histeresis
kandungan air setara (equivalent) dan status air bergantung kepada
proses yang menyebabkan ianya berlakuSebab-sebab berlakunya
histeresis1) Ketidakseragaman geometri liang-liang tanahkesan botol
dakwat (ink bottle effect)
2) Kesan sudut sentuh
-
dari gambarajah, rw > rd,w < dbagi tetapAtau w < d bagi
tetap(histeresis)3) Udara yang terperangkap merendahkan tanah
kering yang membasah
-
4) Fenomena pengembangan-pengecutan dan pendewasaan tanah ->
perubahan struktur tanah yang berbeza4) Fenomena
pengembangan-pengecutan dan pendewasaan tanah -> perubahan
struktur tanah yang berbezaKesan botol dakwat (a) Pengeringan (b)
Pembasahan Pengeringan:lebih bergantung kepada rbagi tanah tepu
air, air akan serta merta mengalir jika sedutan melebihi r dimana r
= 2/rPembasahan:lebih bergantung kepada Rliang akan dimasuki air
bila sedutan kurang R dimana R = 2/Rkerana r < R, r > Rmaka
pada sama, r > R
-
Penentuan Air Tanah1. Pensampelan dan pengeringan dalam oven
(gravimetrik)2. Rintangan elektrik3. Sebaran neutron meter
kelembapan neutron4. Sinaran gammakaedah 1 destructivekaedah 2 4
non-destructivePenentuan Keupayaan Air Tanah1. piezometer2.
Tensiometer
m = y + z 12.6h
-
Aliran Air Dalam Tanah Teputanah adalah medium yang kompleks,
maka aliran air dalam tanah adalah satu fenomena yang kompleksdalam
tanah, ruang rongga tidak sama, maka perlu andaian iaitu:1. Aliran
laminahalaju aliran rendah (tidak gelora)salur sempit (liang
sempit)Hukum Poiseuillis: = vicosity cecair
-
aliran air berlaku kerana ada perbezaan dalam tekanan dalam
salur; kalau P1 and P2 sama, tiada aliranNombor Reynold Re:d =
diameter liang efektif = ketumpatan cecair = vicosity
Re < 1: aliran laminaRe > 1: aliran gelora
-
2. Aliran makroskopik vs. mikroskopik kalau liang-liang sama
diameter, u1 = u2 = u3 = = un tetapi dalam tanah, ini tidak
jadipenyelesaian:
abaikan corak terperinci (ui)
tanah dianggap sebagai satu medium pengalir seragam dimana
aliran berlaku di keseluruhan keratan rentasnya A (pepejal +
liang)
-
Hukum DarcyH = Ho HiH/L = kecerunan hidraulik (daya
penggerak)discharge rate = q = Q/A = V/tA H/L q = -k H/L atau q =
-k H => Hukum Darcy(k = kekonduksian hidraulik)
-
flaks q daya penggerak:q = -k H(3 dimensi)q = -k dH/dx(1
dimensi)aliran air dalam 3 dimensi:Persamaan Am Aliran dari
gambarajah Darcy:
-
Contoh 1: q = -k (Ho Hi)/L(H = Hp + Hg):Ho = 0 + 0 = 0 Hi = H +
L q = -k [0 (H+L)]/Lq = k H/L + k Hp= 0 is contact to
atmosphere
-
Contoh 2: kolum tanah komposit
lebih realistik kerana aliran air ke bawah tanah melalui
beberapa horizon, dan horizon-horizon berlainan akan mempunyai
nilai k yang berlainan
-
1/K = hydraulic resisitivity (rintangan hidraulik)Rs = L/K =
hydraulic resistance per unit areaContoh pengiraan:H1 = 20 cmk1 =
0.04 cm/hH2 = 5 cmk2 = 10 cm/hL1 = L2 = 8 cm(i)q = -k1 (H2 H1)/L1q
= -0.04 (H2 20)/8H2 20 = -8q/0.04 = -200qH2 = 20 200q (1)(ii)q =
-k2(H3 - H2)/L2q = -10(5 H2)/88q/10 = H2 5H2 = 5 + 0.8q (2)=
(2):
20 200q = 5 + 0.8qq = 0.0747 cm/h
-
ATAUq = (H1 H3) / (L1/k1 + L2/k2)q = (20 5) / (8/0.04 + 8/10)q =
0.0747 cm/hflaks bergantung kepada lapisan tanah yang mempunyai
nilai k lebih rendah (perlahan).
pengagregatan untuk memperbaiki salirankadar aliran dipengaruhi
oleh lapisan k yang lebih rendah
-
tanah tepu, stabil, kukuh => k tetap (tidak berubah mengikut
masa)bila tanah tidak stabil aliran air akan pecah struktur, maka
kawal tidak sama dengan kakhirnilai k:pasir:k = 10-2 10-3
cm/slempung:k = 10-4 10-7 cm/s
nilai k bergantung kepada struktur, tekstur dan kestabilan
strukturKekonduksian hidraulik, k
-
Kelas kekonduksian hidraulik (Unland & ONeal, 1958)
KlasKadar aliran (mm/jam)Perlahan1) sangat perlahan< 1.252)
perlahan1.25 5.0Sederhana3) sederhana perlahan5.0 20.34)
sederhana20.3 63.55) sederhana pantas63.5 127Pantas6) pantas127
2547) sangat pantas> 254
-
Pembatasan Hukum Darcy
tidak sentiasa sah bagi semua keadaan aliransah sekiranya:aliran
berlaminatindakbalas air-tanah tidak mengubah sifat kebendaliran
(fluidity) dan ketelapan (sebenarnya ada reaksi antara air dengan
tanah)tanah berkelodak dan berlempung berlamina bagi kebanyakkan
H/xtanah berpasir dan berbatu H/x > 1, gelora alirannya =>
Hukum Darcy tak boleh digunakan. Hanya bila H/x < 1, hukum ini
boleh diguna kecerunan graf = khubungan linear antara q dan H/x =
hukum ini dapat digunakan.
-
K bagi jenis-jenis tanah1) medium seragam K tetap di semua
titik2) isotropik k sama di semua arah (3-D flow)3) Anisotropik k
berbeza mengikut arahKx Ky Kz kerana saiz liang dan bentuk
strukturnya e.g., berplat vs. kolumnar
-
Aliran Air Dalam Tanah Tak Tepuq = -kH atau q = -k dH/dx
Aliran TepuAliran Tak Tepu1. Potensi keupayaan h = +ve
(superatmosferik)1. h = -ve (subatmosferik)2. Kekonduksian
hidraulik adalah maksimum, Ks = tetap dan max.2. K bergantung
kepada i.e., K(); K berubah mengikut jumlah air dalam tanah (ianya
tidak tetap)3. Kecerunan tekanan adalah kecil dan keupayaan graviti
adalah dominan3. Kecerunan tekanan adalah besar dan keupayaan
matrik adalah dominan4. Air bergerak bebas.h = 04. Air bergerak
dalam ketegangan (under tension).h 0; h -ve
-
Hubungan antara kekonduksian hidraulik, sedutan dan kelembapan
tanah (k - ) dari gambarajah, tanah tidak tepu kerana paras air
adalah di bawah tanahaliran air berlaku dalam keadaan ketegangan,
dan ketegangan berubah mengikut jarak, begitu juga dengan dan
k.jika aliran tanah seragam (steady flow), i.e., H1 dan H2
tetap.
-
Untuk kolum tanah pendek (x kecil):
1) purata kekonduksian
2) purata potensi matriksukatan q bagi beberapa , e.g., = 0,
-10, -50 dan 300 cm:
-
= 0 cm => keadaan tepu air, lebih kering , k k adalah fungsi
(bergantung kepada) dan hubungan mereka bergantung kepada
tekstur:
-
= 0, tanah tepu airkpasir lebih tinggi pada tanah sangat
lembapklempung menurun beransur-ansur tetapi kpasir turun dengan
cepat.nilai k bagi tanah pasir turun dengan cepat bila atau tanah
mengering, maka bila tanah pasir mengalami sedikit pengeringan, air
payah bergerak kerana k. Ini penting dalam pengerakan air ke akar.
Untuk tanah lempung, pengerakan air lebih mudah kerana k tidak
turun cepat => pokok masih segar kerana air masih boleh
bergerak.Persamaan Aliran Umum
untuk tanah tepu dan tidak tepu airi) Hukum Darcydimana ditulis
dalam 3-dimensi
-
ii) Persamaan Keselanjaraan (Eq. of Continuity dimanaoleh
itu,=> persamaan umum bagi aliran tepu dan tidak tepu air
-
Aliran Tepuanggap media seragam dan isotropik:kx = ky = kz = ks
(k tepu)Persamaan (1) mejadi:bagi tanah tepu dan kukuh (stabil):
(theres no change in quantity of water when its saturated),
maka,jadi,=> persamaan Laplace=> juga boleh digunakan untuk
pengaliran haba
-
Aliran Tak TepuAndaikan media isotropik:kx = ky = kz = k()H = h
+ zh = +ve (tanah tak tepu)h 0 (tanah tepu)z = +vePersamaan (1)
menjadi atau
-
persamaan Richard dalam 3-dimensi aliran mengufuk (arah-x):
aliran menegak (arah-z): maka,
-
D:kedayaresapan (diffusivity)nisbah kekonduksian hidraulik (k)
kepada muatan air tentu (C). Oleh sebab, k dan C bergantung kepada
kandungan air, begitu juga dengan D.kadar cepat air resapanD air
alir cepatEdaran Air di lapangan (Field Water Cycle)
-
Penyusupan (Infiltration)gerakan air arah z (satu arah
sahaja)sejatan dan serapan aliran tak tepupenyusupan berlaku dalam
kedua-dua jenis keadaan tak tepu dan tepui = flaks (kadar
penyusupan air):
-
Kepunyusupan Tanah (Soil Infiltrability):
flaks yang diserap oleh permukaan profil tanah yang bersentuh
dengan air pada tekanan atmosferik (air bebas).air tak boleh
bertakung pada permukaan tanah kerana tekanan pada permukaan tanah
tidak berada dalam tekanan atmosferik => iijikaR < ii =>
dikawal oleh flaksR > ii => dikawal oleh profili bergantung
kepada i (kelembapan), i (ketegangan air), tekstur, struktur dan
lapisan tanah (padat?).i berkurang (tanah mengering), penyusupan
meningkat.perhubungan rapat antara dan i mengurang secara
asimptotik sehingga satu kadar tetap yang dipanggil Kepunyusupan
Tunak (Steady State Infiltrability).
-
i berkurang mengikut masa kerana:i)mengikut masa (driving force
/ kecerunan potensi berkurang mengikut masa)ii)pembinasan struktur
membawa pembentukan kerak permukaan (surface crust)iii)pengembangan
lempungjenis lempung montmorilonit kembang dan tutup liang-liang
tanahtidak ketara di Malaysia kerana banyak kaolonitiv) udara
terperangkapI as a function of timei as a function of time
-
Taburan kelembapan profil semasa penyusupan zon tepu (ZT) nipis
(hanya beberapa mm) dipermukaan tanah
zon peralihan (ZP) berkurang
ZT dan ZP selalunya sukar nak dibezakan
zon pemindah (ZPM) t hampir-hampir s; sedikit berubah mengikut
kedalaman
zon basah (ZB) bertukar dari t ke i secara mendadak
-
profil kepala hidraulik ketika penyusupan dari air
bertakungprofil kandungan air air ketika penyusupan dari air
bertakung;
-
Persamaan-persamaan Penyusupan i) Green & Ampt (1911)paling
pentingii) Kostiakov (1932)i = Ctjika C dan konstant, maka i tiii)
Horton (1940)i = if + (i0 - if)e-tiv) Philip (1957)i(t) = 0.5
st-0.5 + A
-
Persamaan Gree & Ampt (1911)Beberapa andaian:
wujudnya barisan bawah yang nyata dan tajam
ii) sedutan matrik pada barisan basah tetap pada semua tempat
dan masa (m tetap)
iii) dibelakang barisan bawah, tanah membasah sekata (seragam)
dan mempunyai kekonduksian tetap (k tetap)1) Penyusupan
mengufuk:
-
jika Ho = 0:(1) dimana Hp = kejatuhan tekanan (kepala) = -Hf
bagi zon yang membasah seragam:I = Lf(t - i) = Lf(2) =
(2):Kamilkan:
-
bila t = 0, Lf = 0, maka c = 0; jadi,maka Lf t0.52) Penyusupan
menegak:(1)
-
bagi zon yang membasah seragam:(2) (1) = (2):Kamilkan:bila t ,
maka meningkat perlahan dan menghampiri nilai tetap; jadi,
-
analogi y = mx + c, grafkan Penyusupan ke dalam tanah
berlapisKeadaan 1: Lapisan kasar (k tinggi) diatas lapisan halus (k
rendah)i jatuh (rendah) apabila barisan bawah tiba ke lapisan
halusjangkamasa panjang maka i penyusupan melalui lapisan halus
sahaja => aras air terusung (perched water table or water log)
dan tekanan +ve wujud di lapisan kasar.I awal dikawal oleh k
kasar
-
Cara mengatasinya ialah masukkan paip pada lapisan halus,
mungkin 5 inci drp. permukaan. Tidak boleh buat parit, tak boleh
mengatasi masalah.Keadaan 2: Tekstur halus di atas tekstur
kasariawal dikawal olek khaluspenyusupan air akan dikawal oleh k
yang lebih rendahapabila barisan bawah tiba ke sempadan, i mungkin
jatuh (berkurang) kerana sedutan di lapisan halus mungkin terlalu
besar. Sedutan di lapisan halus lebih kuat maka air akan bertakung
di sempadan terlebih dahulu sehingga berat air mencukupi sebelum
air mengalir ke bawah dengan cepat (analogi sinki).maka lapisan
kasar dibawah tidak dapat meningkat penyusupan, sebaliknya mungking
menghalang
-
Penyusupan hujanAda 3 keadaan:(i)Ri > iproses sama dengan kes
air bertakung (ponding)(ii)Ri < iawal tetapi Ri > iakhirpada
awalnya, tanah menyerap kesemua air hujan (unsaturated water flow)i
iakhir => permukaan tanah tepu, maka sama dengan kes air
bertakung(iii)Ri < i (e.g., Ri < ktepu)tanah menyerap semua
hujankeadaan tepu tidak akan tercapai
-
Penyusupan ke dalam tanah berkerak di permukaanwalaupun kerak
nipis (thin crust) hanya 2-3 mm, ia sangat penting dalam konteks
penyusupan => air boleh bertakung dan zon akar tiada/kurang
airkerak permukaan disebabkan olehtindakan air hujanpemeraian
semasa pembasahan agregatkerak:beberapa mm tebal (nipis)ketumpatan
tinggirongga halusk menghalang penyusupan
-
kehadiran kerak menggalakkan hakisan kerana air tidak dapat
menyusup, maka larian air di permukaan elak kejadian kerak melalui
perlindungan permukaan tanah dengansungkupan (mulch)pokok seperti
legume dllLarian Permukaanjuga dikenali sebagai overland flow
bahagian air hujan yang tidak diserap oleh tanah dan tidak
terkumpul di permukaan tetapi mengalir mengikut cerun ke dalam
lurah-lurah atau sungai-sungai Ri > Isurface storage capacity
(muatan simpanan permukaan)
-
kawasan pertanian:run-off:1) kehilangan air kerana tidak boleh
digunakan2) hakisan kehilangan nutrien dan tanah ataskawalan
hakisan:
1) lindung tanah daripada hakisan percik2) i dan surface storage
kadar air mengalir ke bawah dan jumlah air yang dapat disimpan
dalam depression 3) untuk menghalang larian permukaan e.g., teres
untuk halaju air kepada larian permukaanbajakan: penyusupan surface
storagemaka, kurang larian permukaan
-
SummaryPenyusupan i important physical parameter) bergantung
kepada:masa dari hujan bermula; awal tanah; k; soil surface
conditions (poros / kerak); kehadiran lapisan halangan dalam profil
(lapisan lempung / pasir / padat / poros)Sebaran Balik
(Redistribution)pengerakan air akan terus berlaku selepas hujan dan
penyusupan terhenti:* saliran dalam jika paras air bumi rendah
(cetek)* saliran balik jika paras air bumi tinggi (dalam)
-
pentingnya proses sebaran balik:menentukan jumlah air dalam
zon-zon profil tanah bagi masa-masa tertentu => ekonomi
airmenentukan muatan simpanan air tanah => penting bagi kawasan
kering yang mana bekalan air tidak menentuProses sebaran
baliksaliran dalamaliran air bumi (groundwater drainage)aliran
dalam keadaan tanah tepusebaran balikpengaruh air bumi tidak
penting (e.g., sangat dalam)
-
keadaan seperti tong besar dimana kadar aliran air bergantung
kepada saiz lubangkadar awal sebaran balik di pengaruhi
olehkecerunan keupayaank tanah (spt. lubang besar atau
kecil)kekeringan relatif lapisan zon kering)kedalaman awal barisan
basah
-
kadar sebaran balik menurun mengikut masa sebab:1)kecerunan
potensi (keupayaan) antara zon basah dan zon kering menurunpada
mulanya keupayaan tetapi bila lebih air meresap ke bawah dan zon
kering mulai membasah dan zon basah mulai mengering, maka keupayaan
mulai menurun dengan masa2)k tanah bila zon basah mengering =>
oleh itu, kemaraan barisan basah , flaks dan lama kelamaan, barisan
basah hilang (tidak nyata / jelas)
-
rajah menunjukkan zon basah mengering pada kadar berkurangan.
Kadar ini bergantung kepada jenis tanah sebab:tanah lempung
mengering kurang daripada tanah pasir.
-
Histerisis dan Sebaran Balikhisteris memperlahankan sebaran
balikmaka apabila hujan, tanah membasahi mengikut keluk serapan.
Apabila penyusupan terhenti, tanah akan mengering mengikut keluk
pengeringan.maka, histerisis memperlahankan sebaran balik =>
baik kerana histerisis menolong tanah menyimpan air dengan lebih
lama (storage capacity)histerisis berlaku pada semua jenis
tanahudara terperangkap lebih utama bagi tanah lempung, tetapi
kesan botol dakwat sangat penting dalam semua tanah.
-
Muatan Medan (Field Capacity) dan Sebaran BalikAir Tersedia =
Had Muatan Medan Had Kelayuan tanah w (g/g) v (cm3/cm3)boleh
mengambarkan porositys (v/v) = total porosity (keadaan tepu) e.g.,
40 cm3/cm3 maka total porosity = 40%e.g., s = 40 cm3/cm3; v = 15
cm3/cm3, maka % rongga dipenuhi udara = 40 - 15 = 25%semasa proses
sebaran balik kadar aliran dan berkurang mengikut masa dan akhirnya
menjadi terlalu kecil selepas beberapa hari (rujuk kepada nota
sebaran balik mengurang mengikut masa)
-
maka dimana saliran dalam terhenti dipanggil muatan medan (FC)
takrif FC = Jumlah air yang dipegang oleh tanah selepas air
berlebihan disalirkan dan kadar aliran ke bawah terhenti, biasanya
selepas 2-3 hari hujan/pengairan terhenti).kekurangan:andaian
proses sebaran balik menurun dan terhenti dalam 2-3 hari tidak
benar bagi semua jenis tanahproses ini berterusan untuk jangka masa
lama, e.g.,
-
Masa selepas penyusupan berhenti% (w/w)0 hari29.21 hari20.22
hari18.77 hari17.530 hari15.960 hari14.7156 hari13.6
-
berkurangan mengikut masa mengikut persamaan umum dimana a ialah
pemalar; dan b ialah pemalar berkaitan dengan D (kedayaresapan)
maka kadar sebaran balik bergantung rapat dengan D atau k
sebab:
-
faktor-faktor mempengaruhi FC:1) tekstur2) jenis mineral
lempung3) kandungan BO4) kehadiran lapisan penghalang5)
evapotranspirasiPergerakan Air Ke Akar root system very extensive
(miles!)bergantung kepada rintangan; rintangan paling kuat antara
stomata dan atomosferatotal root surface area of annual grass =
1000 m2 but in 100 liter soil volume, roots will only be in touch
of 1% particle surfacetherefore, 1% = active root surface to absorb
watertherefore, water needs to move to roots for plant to receive
enough water
-
bila transpirasi terhenti, tumbesaran terbantut kerana tiada
pertukaran gas dengan tisu dauntiada fotosintesis kerana tiada
serapan CO2aliran air tanah ke akar terhenti kerana tiada nutrien
diserapRadial flow to a single rootEquation suggests that rate of
uptake q (rate of absorption) depends on1)potential difference
between soil and at root surface2)k soil
also, depends on1) k2) flow rate q
-
Relation s vs. distance from root:at 15 bars, there is a high
gradient from a to b, but at 5 bars, the gradient from a to b is
smallerinter-relation between , k, q, transpiration:1)s (wet soil),
k => ; root s2) s , k => ; root s3) atomspheric evaporation
demand
-
Pengambilan Air Oleh Pokokmerangkumi:pergerakan air dari tanah
ke akarpergerakan air dalam pokokpergerakan dari pokok ke
atmosferapokok ke atmosfera iaitu dari daun ke atmosfera melalui
liang stomatapergerakan dalam bentuk wap (vapour) disebabkan oleh
kecerunan (driving force) tekanan wap (vapour pressure
gradient)kecerunan tekanan wap (KTW) dipengaruhi oleh Permintaan
Sejatan Atmosfera (atmospheric evaporative demand AED)AED
bergantung kepada1) iklim (suhu, angin, kelembapan)2) permukaan
daun (daun nipis, tebal, licin, kesat, berbulu dll)
-
pergerakan dalam bentuk wap (vapour) disebabkan oleh kecerunan
(driving force) tekanan wap (vapour pressure gradient)kecerunan
tekanan wap (KTW) dipengaruhi oleh Permintaan Sejatan Atmosfera
(atmospheric evaporative demand AED)AED bergantung kepada1) iklim
(suhu, angin, kelembapan)2) permukaan daun (daun nipis, tebal,
licin, kesat, berbulu dll)untuk pokok tumbuh dengan baik, AED sama
dengan bekalan air tanahkalau AED sama dengan bekalan air tanah,
bukaan stomata max, tetapi keadaan AED > bekalan air, bukaan
dikecilkan untuk mengurangkan kehilangan H20 tetapi kemasukkan CO2
turut dikurangakan, maka tumbesaran terencat
-
Bekalan Air Tanahkonsep air tesedia (AT):AT = muatan ladang had
layukonsep klasikal untuk AT:(a) Veihmeyer & Hendricksen (1927)
ketersediaan air sama pada keseluruhannya tidak logik kerana tiada
pengaruh potensi sedutan naik dengan menurun
(b) Richards & Wadleigh penurunan secara lineardibahagikan
kepada easily available dan diffuculty available(c) others
-
Jumlah dan kadar cepat pengambilan air:
keupayaan serapan akar
2) kebolehan tanah membekalkan air kepada akarbergantung kepada
jenis tanah. tanah pasir mempunyai kebolehan membekalkan air kurang
daripada tanah lempung
3)sistem akar (ketumpatan, panjang, kadar pertumbuhan akar)
4) sedutan / ketegangan air dalam pokok dalam keadaan panas,
sedutan naik, maka kadar cepat air diserap juga naik
5)keadaan mikrometeorologi dan ciri-ciri tanah AED bergantung
kepada iklim / mikometeorologi sistem tanah-pokok-atmosfera
-
Proses Evapotranspirasisatu proses dimana air tanah dipindah ke
atmosfera melalui conductive body iaitu pokokair tanah bekalan dan
ketersediaan terhad atmosferasinki yang mana muatan tidak
terhaddapat diserap sebanyak-banyaknya (unlimited
capacity)pokokperanan sifat pokok sangat penting untuk
menyeimbangkan muatan yang terhad (tanah) dengan yang tidak terhad
(atmosfera)maka serapan akar sama dengan transpirasi => aliran
terus, pokok segarjika serapan akar < transpirasi => pokok
hilang kesagahan (turgor) dan layu.
-
Keupayaan transpirasi (Penman, 1949):iaitu kadar kehilangan air
drp. pokok ke atmosfera bila bekalan air tidak terhaddalam keadaan
tutupan 100% oleh kanopi pokok: kadar transpirasi = keupayaan
evapotranspirasi tanah tinggi transpirasi sebenar (actual) sama
dengan keupayaan transpirasi tanah rendah transpirasi sebenar
(actual) < keupayaan transpirasitranspirasi bergantung kepada
iklimKontinuum tanah-pokok-atmosfera (SPAC)tanah, pokok, atmosfera
sistem penyatuan, interaksi dan dinamiksistem penyatuan kerana
tiap-tiap peringkat dalam sistem SPAC adalah penting kerana
tiap-tiap peringkat akan mempengaruhi peringkat-peringkat
seterusnyakonsep keupayaan air boleh dipakai bagi tanah, pokok dan
atmosferamaka aliran air dari keupayaan tinggi ke rendah
-
perbezaan terminologi:fizik tanah sedutanfisiologi tumbuhan
defisit tekanan resapan (diffusion pressure deficit)atmosfera
tekanan wapkuantiti Q air hilang melalui transpirasi jauh lebih
> dari pokokbeberapa banyak air hilang dari pokok, kandungan air
dalam pokok masih sama!maka, aliran dalam pokok adalah tunak
(steady state)kadar aliran berkadar songsang dengan rintangan
-
Potential Distribution in SPAC soil , transpirasi ; maka
mesophyll < CV (critical value of to cause wilting) => tidak
layu kerana kurang 15 bars
(2) soil , transpirasi ; maka mesophyll 20 bars => temporary
wilting i.e., menghampiri hari panas (2-4 pm transpirasi max),
e.g., noon wilt but evening recover again
(3) soil , transpirasi ; masih temporary wilting kerana
transpirasi adalah rendah
(4) soil , transpirasi ; wilting kerana mesophyll > CV
-
Aliran Air (Electrical analog representing resistances against
water flow in SPAC) analogous to Ohms Law
= kejatuhankeupayaan; q = flaks
-
aliran air dalam SPAC analog kepada aliran arus melalui
rintangan bersiri (tanah ke akar) 10 bars (akar ke daun) 10
bars
(daun ke atmosfera) 500 bars (max)maka keadaan stomata yang
paling pengaruh dalam aliran air dari tanah ke stomata
stomata (rs) yang cepat gerakbalas kepada ketegasan air
(bergantung kepada fisiologi pokok)tanah-akar-daun pathway:
-
Water potential values in SPAC
Locationbarssoil 0.5 cm below surface and 1 cm from root-3soil
at root surface-5root xylem near soil surface-6root xylem 10 cm
above soil surface-8 *leaf vacuole-mesophyll cells at 10 cm above
soil surface-8 *cell-wall-mesophyll cells at 10 cm above soil
surface-8 *air in cell wall space at 10 cm above soil surface-8
*air in stomata at 95% RH-69air outside stomata at 95% RH-71air
across stomata at 50% RH-950
-
* sepatutnya tiada aliran air kerana tiada potential gradient.
Aliran masih berlaku kerana transpirasi sahaja. Maka pada malam,
tiada aliran kerana tiada transpirasi => tiada pertumbuhan. Guna
lampu jika nak meningkatkan pertumbuhan pokokR atmosfera pathway =
15x lebih tinggi R pokokaliran air dalam SPAC sangat dipengaruhi
oleh fasa wapdrought-resistant plants are those that respond to
vapour phase and those that are sensitive are those which do not
respond well to the vapour phase
-
Field Water Balance (Imbangan Air Medan) proses-proses berkaitan
dengan W:infiltrationredistributiondrainageevaporationwater uptake
by plants- all unified; interdependant and important to describe
field water balanceEquation: P + I S = W + E + UP = precipitation
(hujan)I = irrigationS = surface run-offW = change in water
storageE = evapotranspirationU = drainage
-
combination of P, I, S, E and U will finally affect W, and W may
be +ve or ve: , W +ve; , W ve.thus, depth of soil must be defined.
Boundary must be in the rooting zone: 30, 50, 70 cm, etc, depending
on type of plant, i.e., oil palm roots are in a depth of 30 cm
(shallow rooting system) => boundary 30 cm. For rubber, rooting
depth is 80 cm, so make boundary = 80 cm.unit of water = water
volume or Equivalent Ponded Depth (EPD)EPD = volume per unit area
(m3/m2 = m); m H2Obetter use a unit length for EPD rather than
using a volume unit (m3) because ther units like P, I, S are all in
unit length.
-
EPD digunakan untuk menentukan:kuantiti air dalam tanahkuantiti
air yang boleh disimpan oleh tanahkuantiti air yang diperlukan
untuk pengairan dalam tanah yang dapat dibasahi
hujan/pengairan,
e.g.,air tersedia dalam zon akar= (FC-PWP)x50 cm= (0.35 0.12) x
50= 0.23 x 50= 11.5 cmEPD pada had basah= FC x 50= 0.35 x 50= 17.5
cmEPD pada had layu= PWP x 50= 0.12 x 50= 6 cm(ii) dari keluk sifat
air tanah dan katakan zon akar = 50 cm:
-
Evaluation of Water Balancemeasurements difficult in practiceE
largest and most difficult componentP + I quite easy although
possible non-uniformities in a read distributionS 0 in agriculture
field-irrigated fieldW:for long periods, entire growing season W =
0 ( P + I = E + U) because W = -ve when dry periods and W = +ve
when wet periods => a mixture of ve and +ve, so net change is or
near zero.for shorter periods, W can be largeP + I S = W + E +
U:
-
P + I S = W + E + U persamaan ini mempengaruhi W akhirnya
dalam pertumbuhan pokok, E menjadi penting. Air mesti memenuhi
keperluan E supaya pertumbuhan pokok baik. Transpirasi max = max
growth. Unit E biasanya dalam unit mm/hari. E dikira secara tidak
langsung drp persamaan di atas.
Matlamat kita: q = E untuk pertumbuhan max. (q = rate of
absorption). q < E = tumbesaran terencat
dry season with P, I = 0 (S = 0); W = - (E + U)
-
under irrigation:1) measure in root zone, then supply water to
brint it to FC:e.g., PWP = 0.10%; FC = 0.30%, maka tambah PWP - FC
= 0.20%. Rooting depth = 50 cm, maka 0.20 x 50 = 10 cm air
ditambahnote: at FC, downward flow out of root zone not negligible,
about 1/10 of water balance (U 0)percolation > cap. rise, U >
0percolation < cap. rise, U < 2) irrigation efficiency:e = E
/ (E + U)kalau bekal air untuk kuantiti yang ia perlukan, e = 100%U
to wash/leach out accumulated salt- penting di kawasan arid
-
untuk kawasan salinity, tak boleh I = 5 mm.day; mesti tambah
lebih air untuk melarutlesapkan garam-garam yang tinggal, di
Malaysia, perkara-perkara di atas tiada masalah kerana hujan >
evapotranspirasiAlat lysimeter:tetapi alat lysimeter tidak dapat
beri penentuan tepat kerana tanah yang digunakan adalah tanah
terganggu. Alat ini juga mahal
kalau tiada garam, e = 100%kalau tanah kaya dengan garam akan
terdapat pengumpulan garam => salinity (terutamanya kawasana
kering) boleh mencurai struktur tanah
-
Measurement of W in the fieldneutron probe moisture meter &
gravimetric moisture sampling profiles at time t1 and t2neutron
moisture meter radioactive and can measure to depth 3 mgravimetric
moisture sampling use auger for samplingluas graf antara t1 dan t2
= WW boleh +ve atau veat t1: and at t2:
-
Water balanceR + I + CR = P + OF + ETa + WATER INPUT:R =
rainfall; I = irrigation; CR = capillary rise
-
WATER OUTPUT:P = percolation; OF = overland flow; ETa = actual
evapotranspiration; = change in soil water content- equation looks
deceptively simple, but in practice, the individual components can
be difficult to determine/measure- can use some assumptions 1)no
irrigation supplied, so I = 02)deep water table (> 1 m deep), so
CR = 03)flat, levelled land, so OF = 0- therefore water balance
equation becomes:R = P + ETa + =R - P - ETaor
-
Percolation (P)- drainage (loss) of water from a soil
layer/zone- consists of two components:percolation due to excess
water pepercolation due to redistribution pd
- Excess water percolates below if the amount of water in soil
and amount of water (due to rainfall R) received exceed the soil
saturation level:- Redistribution occurs due to gravity and matric
potential, as defined by Darcys Law:
-
- If the depth difference between two soil layers is z, then Hg
= z, and Assuming uniformly wetted soil means no differences in
matric potential any where in that soil layer, so and Eq. (1)where
water flux depends only on the soils hydraulic conductivity. - From
the law of conservation of mass
-
- If we take the soil layer thickness as L, thenEq. (2) - From
Eq. (1), q = K, so soEq. (3) - K depends on soil water content- K
increases with increasing water content until soil saturation,
or
-
- K depends on soil water content according to this
relationship:where is 13-16 for most soils. Substituting into Eq.
(3) and solving it results inThe equation gives the amount of water
in the soil at time t2.
-
- Therefore, percolation due to redistribution ist2 - t1 =R (pe
+ pd)pd = t2 - t1 - R + pe- t2 is now available for
evapotranspiration ETaEvapotranspiration (ET)ET is the loss of
water by evaporation from both the soil and plant (evaporation +
transpiration)ET depends on several factors: solar radiation, air
temperature, air vapour pressure, wind speed and surface
area.Potential ET (PET) is the maximum rate of ET given the current
conditions. PET is not a constant value but varies with field
conditions: it is the rate of water loss if water supply is not
limiting.But often water supply is limited, so water loss is often
smaller than PET. The rate at which water is being lost is known as
actual ET (AET).
-
- AET PET, depending on amount of available water. Plants can
control their transpiration. Maximum transpiration occurs when
water is adequate and stomata is opened at maximum exposure. But
during water stress, stomata opening reduces (and could close
completely), so transpiration is reduced, and AET < PET. Plants
can conserve water by reducing openings of their stomata but by
reducing the stomata openings, they reduce photosynthesis. Less
food means poor growth and yield. Prolonged water stress could
result in plant death.Potential ETWater loss by evaporation can be
determined by determining the flow of latent heat (LH). LH is the
amount of energy required to break bonds to change the liquid phase
of water into vapour (gas) phase.LH does not results in change in
air temperature. All the energy is used to break bonds only. LH
cannot be sensed; it is latent.
-
- Sensible heat (SH) is the energy to raise air temperature
which we can sense. Penman-Monteith equation most widely used to
determine PET uses the electrical resistance network analogy- H is
sensible heat flux density (W m-2); ET is latent heat flux density
(W m-2); is known as the latent heat of vapourization of water
(amount of energy to evaporate a unit weight of water; 2454000 J
kg-1).
-
- ra aerodynamic resistance; rc surface resistance- er and e0
vapour pressure at reference height and surface, respectively- Tr
and T0 temperature at reference height and surface,
respectivelyHeat flows (@ current) because it is driven by a
potential difference but the flow it resisted by resistances.H
flows because of temperature difference (potential difference) but
it is resisted by rawhere cp is the volumetric heat capacity
(amount of heat required to raise the temperature of a unit volume
of air by one unit; 1221.09 J m-3 K-1).
-
- ET flows because of vapour pressure difference (potential
difference) but it is resisted by rc and ra where is the
psychometric constant (0.658 mbar K-1).- LH has an additional
resistance rc because water vapour exits the stomata.- If from bare
soil, rc is the soil surface resistance.- To convert ET (W m-2) to
ET (mm day-1): Watts is J s-1
-
Example:120 W m-2 to ? mm day-1= 120 / = 120 / 2454000 = 4.9 x
10-5 kg m-2 s-1= 4.9 x 10-5 x 60 x 60 x 24 = 4.2336 kg m-2 day-1=
4.2336 mm day-1Actual ET When water is limiting, evapotranspiration
is not at maximum but is reduced to a rate known as actual ET.- PET
is reduced by a reduction factor:where RD is from 0 (completely no
available water) to 1 (sufficient water)
-
- Relative water content is
- Plant cannot use the water below the soil wilting point level
most agricultural crops are C3 plants; only three are C4: sugar
cane, maize and sorghum. C3 plants photosynthesize to produce a 3-C
compound (3- phosphoglyceric acid) and C4 a 4-carbon compound
(oxaloacetic acid). C4 are more efficient in using water and solar
radiation to convert into biomass. Critical water point for C3 and
C4 plants are 50% and 30% of relative water content, respectively.
C4 more efficient in using water.