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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.64.2006.tde-11052007-154046
Documento
Autor
Nome completo
Luiz Fernando Pires
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Piracicaba, 2006
Orientador
Banca examinadora
Bacchi, Osny Oliveira Santos (Presidente)
Cássaro, Fábio Augusto Meira
Fante Júnior, Lorival
Souza, Manoel Dornelas de
Stolf, Rubismar
Título em português
"Tomografia computadorizada, atenuação de raios gama e análise micromorfológica na avaliação de alterações na estrutura e retenção de água pelo solo"
Palavras-chave em português
Curva de retenção
Densidade do solo
Física Nuclear aplicada
Técnicas nucleares
Resumo em português
A estrutura do solo está relacionada com o arranjo das partículas, agregados e poros que constituem este meio poroso. As influências estruturais do solo atuam em diversas escalas tanto macroscópicas como microscópicas. Mudanças estruturais em escala microscópica são importantes porque causam alterações no arranjo das partículas do solo e, conseqüentemente, mudanças na distribuição de poros. A qualidade das amostras de solo está diretamente relacionada a sua estrutura, a qual é extremamente importante devido à influência que exerce no desenvolvimento das raízes, fauna do solo, movimento e retenção de água e gases, etc. As alterações que ocorrem na estrutura do solo podem ser induzidas tanto por forças naturais quanto pela ação humana. Ciclos de umedecimento e secamento (U-S) causam grandes modificações na estrutura do solo, especialmente na distribuição do tamanho de poros, a qual reflete a distribuição espacial e temporal da umidade do solo. Conseqüentemente, estes processos podem afetar a retenção e o movimento de água e nutrientes no solo, tendo importantes conseqüências práticas em determinações de armazenamento e potencial mátrico da água no solo, amplamente usados em irrigação. O objetivo principal deste estudo foi aplicar as técnicas de tomografia computadorizada, atenuação de raios gama e análise micromorfológica como ferramentas na compreensão de como a estrutura do solo pode ser afetada por procedimentos de amostragem e ciclos de umedecimento e secamento. Foi feita uma análise crítica sobre o comportamento da estrutura do solo quando submetido a sucessivos ciclos de U-S e qual o impacto que possíveis alterações estruturais podem ocasionar na retenção de água pelo solo. Foram usadas amostras de três diferentes solos coletadas em anéis volumétricos. Cada amostra foi submetida à aplicação de três e nove ciclos de U-S. As amostras controle não foram submetidas a nenhum ciclo de U-S. O tomógrafo usado é de primeira geração equipado com uma fonte radioativa de 241Am e permitiu a obtenção de perfis de unidades tomográficas e imagens em 2-D das amostras de solo. O sistema de atenuação de raios gama é equipado com a mesma fonte radioativa do tomógrafo e possibilitou medidas de densidade e umidade do solo. A análise micromorfológica tornou possível quantificar a distribuição do formato, tamanho e arranjo dos poros dos solos. As análises realizadas através da técnica não invasiva de atenuação de raios gama permitiram determinar curvas de retenção usando um único umedecimento da amostra. Obteve-se também uma maior exatidão na definição do tempo de equilíbrio e redução do tempo requerido para obtenção da curva no intervalo de potencial mátrico de 0 a ?100 kPa. As análises usando-se a técnica de tomografia computadorizada tornaram possível mostrar o impacto de diferentes procedimentos de amostragem na estrutura do solo, alterações ocorridas nesta estrutura oriundas dos ciclos de U-S e investigar a qualidade de amostras de solo usadas em medidas de densidade. A partir da análise das imagens tomográficas ficou evidenciado que procedimentos de amostragem causam compactações próximo às bordas em amostras coletadas com anéis volumétricos e que quanto menor a dimensão do anel, maior é a deformação sofrida pela amostra. Com relação aos ciclos de U-S, a tomografia tornou possível acompanhar as modificações na estrutura com a evolução dos ciclos e permitiu identificar aumentos na porosidade do solo e desenvolvimento de grandes macroporos. A análise micromorfológica permitiu uma investigação da estrutura do solo em escala micrométrica. Através desta técnica foi possível a realização de um exame minucioso das modificações no arranjo, formato e distribuição dos poros das amostras de solos submetidas aos ciclos de U-S e procedimentos de amostragem. Os resultados mostraram que a estrutura do solo sofre mudanças importantes tanto no formato como na distribuição de tamanho dos poros, corroborando os resultados obtidos pela técnica tomográfica. Finalmente, foram realizadas ainda análises do impacto das mudanças na estrutura do solo na retenção de água. Os resultados permitiram mostrar que todos os solos apresentam variações na curva de retenção à medida que sofrem a aplicação de sucessivos ciclos de U-S. Esta informação é importante pelo fato de que os dados da curva são usados em simulações do transporte de água e produtos químicos ao longo do solo, em estimativas da quantidade de água a ser usada para irrigação e na predição de taxas de infiltração
Título em inglês
Computed tomography, gamma-ray attenuation, and micromorphologic analysis to evaluate changes on soil structure and water retention
Palavras-chave em inglês
Applied Nuclear Physics
Nuclear techniques
Soil density
Soil water retention
Resumo em inglês
Soil structure is related to the arrangement of soil particles, aggregates, and pores, which makes part of this porous media. The influence of structure on soil physical phenomena ranges from macro to microscope scale. Structure changes in microscope scale are important because affect the soil particle arrangement and, consequently, the pores distribution. Soil sample quality is directly related to soil structure, which is one of the most important properties that influences root development, water and gas movement and retention, soil fauna, etc. Natural forces and human action are the main factors that affect soil structure. Wetting and drying (W-D) cycles cause strong modifications on soil structure, especially in the pore size distribution, which reflects the temporal and spatial distribution of soil water and, consequently, these processes can affect soil water and nutrient retention and movement; having important practical consequences when calculating soil water storages and matric potentials, widely used in irrigation management. The main objective of this work was to use computed tomography (CT), gamma-ray attenuation, and micromorphologic analysis techniques as tools to investigate how soil structure can be affected by soil sampling procedures and wetting and drying cycles. A critical analysis about the behavior of soil structure when submitted to W-D cycles and the impact of possible structure changes on water retention was made. Core samples were collected from profiles of three soils with volumetric rings. Each soil sample was submitted to the application of three and nine W-D cycles. For the soil samples called control, none W-D cycle was applied. The CT scanner used is a first-generation system with a fixed source-detector arrangement and translation/rotational movements of the samples, equipped with a radioactive gamma-ray source of 241Am. The CT system permitted to obtain 2-D soil sample images and tomographic unit profiles. The gamma-ray attenuation system is equipped with the same radioactive source of the tomograph and it was used to evaluate soil density and water content. The pore size distribution, arrangement, and size of pores were analyzed through the micromorphologic analysis technique. By the analyses carried out through the non-invasive gamma-ray attenuation technique it was possible to evaluate soil water retention curves using a unique wetting cycle. The results allow to conclude that the nuclear method presents some advantages in relation to the traditional method (Richards method), like the higher accuracy in the determination of time of equilibrium, and reduction in the time required for the retention curve determination at the matric potential range of 0 to -100 kPa. The analyses using the CT technique allowed to confirm that soil compaction near the volumetric ring wall occur and that the effects of sampling procedures on soil structure need to be taken into account. It was showed that the size of the volumetric rings is very important and that small ones cause strong modifications on soil structure. Regarding the wetting and drying cycles, on the one hand, the technique allowed following the modifications on soil structure induced by these cycles, on the other, it makes possible to identify increases in soil porosity and development of some large macropores with the cycles. The micromorphologic analysis allowed an investigation of soil structure in a micrometric scale. This technique was particularly valuable because it was possible to analyze the changes in soil particle arrangement, shape, and pore distribution of samples submitted to W-D cycles and different sampling procedures. The results showed that soil structure is a dynamic property, suffering important changes on shape and pore size distributions, confirming the results obtained by the CT technique. Finally, analyses of soil structure changes during water retention curve determinations were made. By the results it was possible to conclude that the soil water retention curve is affected by sequences of W-D cycles. This sort of information is valuable because the water retention curve data are used in simulations of water and chemical products transport through the soil, and evaluations of soil water storages and matric potentials, widely used in irrigation management
 
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Doutorado.pdf (8.19 Mbytes)
Data de Publicação
2007-06-01
 
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