Farklı tekstürdeki toprakların bazı hidrodinamik özelliklerine kireç organik madde ve toprak sıkışmasının etkilerinin belirlenmesi

Abstract

Toprak su tutma eğrisi (TSTE) kullanılarak belirlenen toprak nem parametreleri, toprak ve su kaynaklarının yönetimi yanında toprak hidrodinamiği ile ilgili çalışmalarda önemli kaynak verilerdir. Bu parametreler toprakların çoklu değişkenleri tarafından kontrol edildiğinden, bunların tahminine yönelik çeşitli yöntemler geliştirilmiş olmakla birlikte, halen yüksek kireç içerikli topraklar için bu modellerin doğrulaması yapılmamıştır. Ayrıca kireçli topraklarda organik madde kaynağı olarak sığır gübresi (SG) ve biyokömür (BK) kullanımı durumunda ortaya çıkacak değişkenlikler ile mevcut şartlarda toprak sıkışmasının etkisi de bu modellerde tanımlanmamıştır. Bu durum büyük çoğunluğu yüksek kireç içeriğine sahip toprakların bulunduğu Konya ovasında, kısıtlı olan su kaynaklarının sürdürülebilir yönetimi açısından son derece önemlidir. Bu nedenle yapılan çalışmada kireç içerikleri birbirine yakın olan iki farklı tekstürdeki toprakların su tutma eğrileri ve nem sabiteleri üzerine farklı dozlarda SG, BK ve kireç (L) uygulamalarının iki faklı hacim ağırlığı (Pb) seviyelerinde etkileri belirlenmiştir. Bu amaçla kil ve kumlu tın tekstürdeki topraklara ağırlıkça % 0, 1, 2 ve 4 oranlarında SG ve BK, % 5, 10 ve 20 oranlarında L ilave edilip, tarla kapasitesi nem düzeyinde bir ay süreyle laboratuvar şartlarında inkübasyona bırakılmıştır. İnkübasyon sonu toprağın Pb, tane yoğunluğu (Pd), ağırlıklı ortalama çapı (AOÇ), agregat stabilitesi (AS), likit limit (LL), plastik limit (PL) ve plastiklik indisi (PI), toplam gözenekliliği (T.Göz) ve toplam makro ve mikro gözenekleri (T.Mak. ve T.Mik ), pH, elektrik iletkenlik (EC), organik karbon içeriği (OC), mineralizasyon oranı (Min.OC), toplam azot (TN) ve C: N oranı gibi bazı toprak fiziko-mekanik ve kimyasal özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca bundan sonra killi (normal Pb1: 1.20 g cm-3 ve sıkışmış Pb2: 1.35 g cm-3) ve kumlu tın topraklar (Pb1: 1.50 g cm-3 ve Pb2: 1.70 g cm-3) 100 cm3'lük silindirlerde, iki faklı seviyede sıkıştırılmıştır. Buna göre, toprakların su tutma kapasitesi SG uygulama dozunun artması ile her iki toprakta ve her iki Pb değerlerinde de artmıştır. BK uygulamasında ise; killi toprakta Pb1'de su tutma kapasitesini artırmış, ancak Pb2'de su tutma kapasitesine etki etmemiştir. Kumlu tın toprakta ise Pb1'de etki göstermezken, Pb2'de BK uygulaması su tutma kapasitesi düşmüştür. Killi toprakta L uygulamasının, her iki Pb değerinde de su tutma üzerine etkisi görülmezken, kumlu tın toprakta sadece L20 dozunda etkili olmuş ve Pb1'de su tutma kapasitesini artırırken, sıkışmanın artması ile su tutma kapasitesi düşmüştür. Buna göre her iki tekstürdeki toprakta ve tüm uygulamalarda van Genuchten denkleminde kullanılan, en uygun ve en yüksek uyuma sahip, m parametresi m1 olarak bulunmuş (R2:0.98-1.00; NRMSE:0.20-1.42), bunu Mualem modeli olan m=1-1/n takip etmiş (R2:0.97-0.99; NRMSE:0.34-2.18), sonraki model Burdine modeli, m=1-2/n, (R2:0.95-0.99; NRMSE:0.68-39.56) ve en düşük uyuma sahip model ise Gardner modeli, m=1, (R2:0.89-0.98; NRMSE:2.40-10.66) olmuştur. TSTE sabiteleri olan doygun nem içeriği (θs) ve kalan su içeriği (θr) ölçümleri ile hesaplanan değerler arasındaki uyum yüksek çıkmış, ayrıca hava giriş değeri (1/), optimum nem içeriği (θi) ve toprak strüktürel indeksi (θIN) de yüksek doğrulukta tahmin edilmiştir.

Soil moisture parameters determined using soil water retention curve (SWRC) are important data sources in the studies related to soil hydrodynamics as well as the management of soil and water resources. Since these parameters are controlled by the multi-variability of soils, various methods have been developed for their estimation, but there is still no valid model for soils with high lime content. In addition, the effects of soil compaction in existing conditions and the variations that will arise in the case of using cattle manure (SG) and biochar (BK) as the source of organic matter in a calcareous soil not defined in these models. This is extremely important in terms of sustainable management of limited water resources in the Konya plain where the majority of the soil has high lime content. For this reason, the effects of different doses of SG, BK and lime (L) applications on two levels of bulk density (Pb) were determined on the water retention curves and moisture constants of soils in two different textures, whose lime content is close to each other. For this purpose, 0, 1, 2, and 4% of SG and BK, 5, 10, and 20% of L (w/w) were added to a clay and sandy loam textured soils and then left for incubation at the field capacity in the laboratory conditions for one month. After the incubation period, some of the soil physico-mechanical and chemical properties have been determined, such as soil Pb, particle density (Pd), mean weight diameter (MWD), aggregate stability (AS), liquid limit (LL), plastic limit (PL) and plasticity index (PI), total porosity (TP), total macro and micro pores (T. Mac. and T. Mic), pH, electrical conductivity (EC), organic carbon content (OC), mineralization rate (Min. OC), total nitrogen (TN) and C: N ratio. In addition, soils were compacted in the cylinders of 100 cm3 at two different levels; clay (normal Pb1: 1.20 g cm-3 and compacted Pb2: 1.35 g cm-3) and sandy loam (Pb1: 1.50 g cm-3 and Pb2: 1.70 g cm-3). Accordingly, the water retention capacity of the soils increased in the both soils and at both Pb values with increasing SG application dose. However, BK application increased the water retention capacity in the clay soil at Pb1, but no effect detected on the water retention capacity at Pb2. In the sandy loam soil, BK application had no effect on the water retention capacity at Pb1, whereas it decreased at Pb2. While the application of L in the clay soil has no effect on the water retention capacity in the both Pb values, the sandy loam soil only affected water retention capacity at L20 dose and increased the water retention capacity at Pb1, while the water retention capacity decreased with increasing the compaction. Accordingly, in the soil of both textures and all applications, m parameter used in the van Genuchten equation found to be the most suitable and had the highest fitting was m1 (R2: 0.98-1.00; NRMSE: 0.20-1.42), followed by Mualem model with m=1-1/n (R2: 0.97-0.99; NRMSE: 0.34-2.18), then Burdine model with m = 1-2 / n (R2: 0.95-0.99; NRMSE: 0.68-39.56) and lowest fit model was the Gardner model m = 1 (R2: 0.89-0.98; NRMSE: 2.40-10.66). The fitting between the observed and predicted values of saturated moisture content (θs) and residual water content (θr) of the SWRC was high, as well as the air entry value (1/), optimum moisture content (θi) and soil structural index (θIN) were predicted with a high accuracy.