Impact of potassium concentration and matric potential on soil stability derived from rheological parameters
Resumo
A solução do solo influencia a estabilidade do solo de diferentes maneiras: por meio do conteúdo de água, devido à drenagem de partículas de contrato de meniscos, e por meio da composição química, incluindo diferentes íons em diferentes quantidades. Embora o primeiro aspecto tenha sido examinado pelo menos na mesoescala, o segundo aspecto permanece amplamente inexplorado quando se trata da influência de íons individuais na microescala dos solos. Artigos publicados anteriormente indicam uma maior estabilidade do solo sob a influência do potássio, o que não pode ser explicado apenas por seu efeito positivo sobre o crescimento das plantas e os processos de encolhimento e inchaço aprimorados causados por ele. Os parâmetros derivados de medições reológicas podem ser usados para examinar a influência da solução do solo em diferentes composições e potenciais matriciais na microestrutura do solo. Os parâmetros reológicos foram obtidos por meio de um teste de varredura de amplitude em que as amostras de solo são submetidas a forças oscilantes com deflexão crescente. A partir da resistência da amostra a essa deformação, o módulo de armazenamento G′ e o módulo de perda G″ são derivados, representando a deformação elástica e plástica, respectivamente. Os valores característicos de estabilidade das curvas de módulos são o fim da faixa viscoelástica linear (LVE, em inglês linear viscoelasticity), que indica deformação irreversível, e o ponto de escoamento, que indica fluxo. Além disso, a tensão de cisalhamento máxima durante o teste foi usada para caracterizar a resistência máxima da amostra contra a deformação.
Abstract
The soil solution influences the soil stability in different ways: via water content as due to drainage menisci contract particles, and via the chemical composition including different ions in different amounts. While the first aspect was at least examined on the mesoscale, the second aspect remains widely unexplored when it comes to the influence of single ions on the microscale of soils. Previously published papers indicate a higher soil stability under the influence of potassium that cannot be explained only by its positive effect on plant growth and the enhanced shrinkage and swelling processes caused thereby. Parameters derived from rheological measurements can be used to examine the influence of soil solution in different compositions and matric potentials on soil microstructure. The rheological parameters were obtained by means of an amplitude sweep test where soil samples are subjected to oscillating forces with increasing deflection. From the sample’s resistance towards this deformation storage modulus G′ and loss modulus G″ are derived, representing elastic and plastic deformation, respectively. Characteristic stability values of the moduli curves are the end of the linear viscoelastic (LVE) range indicating irreversible deformation and the yield point indicating flow. Additionally, the maximum shear stress during the test was used to characterize the maximum resistance of the sample against deformation.
In our investigations we found higher soil stability on the microscale with higher ion concentration and more negative matric potentials. With potassium chloride the LVE range extended and the yield point shifted to higher deformation and stress values. Consequently, the influence of potassium chloride resulted in a higher stability of the microstructure based on the storage and loss modulus as well as the shear stress. With increasing ion concentrations in the soil solution a further increase in microstructural strength was detected.
Regarding the influence of matric potential both the shear stress at the end of the LVE range and the maximum shear stress increased with more negative matric potentials, because a higher drainage intensity resulted in higher effective stresses caused by stabilising menisci, cemented bonds due to precipitation of salts and increased number of contact areas between particles. Additionally, the yield point attained higher values for storage and loss modulus, respectively.
