Estructura del suelo y flujo de agua: partículas, agregados, rugosidad

Agregado del Suelo. Fuente: University of Abertay Dundee (Escocia)

 La realidad de campo supera en complejidad a lo que los científicos podemos especificar, modelar  e introducir en las simulaciones numéricas. Como corolario, los resultados  que ofrecen tales modelos matemáticos deben valorarse con suma precaución.   Ya os he contado en alguna ocasión la frase de un afamado matemático que, más o menos, venía a decir “el problema no estriba en que los científicos hagan uso de modelos matemáticos, ya que son importantes para testar sus hipótesis, sino que muchos finalmente terminan por creerse sus resultados”.   El estudio que analizamos hoy ha sido llevado a cabo por investigadores de la Universidad de Southampton. En él se “pretende” modelar la importancia de la estructura del suelo en el comportamiento hidrológico y la captación del agua por las raíces de las plantas. Con  tal motivo los autores dicen haber detectado diversos rasgos geométricos del medio edáfico (tomografía, RX).  En primer lugar, estudiaron la repercusión de la textura (fracciones granulométricas). Los resultados no debieron ser satisfactorios, por cuanto la nota de prensa no menta nada más al respecto, como tampoco el abstract del artículo de investigación. Seguidamente pasaron a indagar el comportamiento de los agregados del suelo (conjunto de partículas de diferente tamaño agrupadas/cementadas entre sí por diversas fuerzas).  Según su modelo, el flujo del agua cerca de los agregados edáficos resultaba ser clave con vistas a cuantificar adecuadamente las propiedades hidrológicas.  De acuerdo a la nota de prensa (más bien confusa) los poros interiores de los agregados son demasiado pequeños, por lo que parecen “prácticamente impermeables” a su humectación, no ocurriendo lo mismo cerca de su superficie, en donde las cavidades resultaban ser de mayor tamaño. Francamente no me quedó claro si “cerca” implicaba a los poros mayores de las cavidades agregacionales más próximas a la superficie de estos aglomerados, o si se encontraban fuera de los agregados aunque bordeándolos (en sus fronteras). Por lo tanto, consulté el resumen del trabajo (que también os añado abajo) que resultó ser mucho más explícito: “Los resultados muestran que la rugosidad de la superficie de los agregado tiene un efecto significativamente mayor en el flujo que la microestructura dentro del agregado. Por lo tanto, esta es la región en la que la resolución de la TC de rayos X para el modelado basado en imágenes tiene el mayor impacto”. Dicho de otro modo  es la rugosidad de la superficie del agregado la que parecía afectar en mayor medida al comportamiento hidráulico de los suelos. ¡Ahora si!.

 Ya os comenté en algunos post anteriores como en los siguientes: “Propiedades de la Materia: Composición, Tamaño, Abundancia, Forma y Superficie”; “Secuestro de Carbono y Rugosidad de las partículas minerales del Suelo”; El Microcosmos del Suelo: La revolución de las Imágenes”; Peso, masa, densidad, rigidez y otras características del microcosmos que albergan los suelos;” “¿Cuanto Mide un Metro Cuadrado de Suelo?  La rugosidad es una variable poco estudiada en muchos ámbitos de la ciencia a pesar que hoy sabemos que afecta seriamente al comportamiento de la materia, y más aún en  los medios porosos heterogéneos. En consecuencia estos resultados vuelven a corroborar nuestras tesis. 

Sin embargo, volvemos a reiterar que en la naturaleza los suelos atesoran grietas que se contraen y expanden, cavidades elaboradas por animales de todos los tamaños, como nidos o refugios, canales para el tránsito de invertebrados del tipo de las lombrices de tierra o las formadas por las propias raíces de la vegetación, enormes estructuras de gran porosidad creadas por los termiteros y hormigueros, etc. En consecuencia los resultados obtenidos por estos autores se me antojan que atesoran mucho menos valor del que ellos alegan, por cuanto pasan por alto esta “realidad de campo”, centrándose expulsivamente en los miopes inputs de sus “avanzados modelitos”. Eso sí, de corroborarse la importancia de la rugosidad de los agregados, algo habríamos avanzado en la comprensión de la hidrología del suelo. Pero de aquí intentar modelizar con eficacia el comportamiento hidrológico de los suelos en la naturaleza (sin tener en cuenta lo anteriormente aludido) existe un abismo.

 Juan José Ibáñez 

New study highlights key role soil structure plays in water uptake by crops

Date: December 10, 2013; Source: University of Southampton

Summary: The increased global consumption of food means that there is an increasing yield gap between crop production and crop usage. To help tackle this issue, a team of scientists has used advanced mathematical modelling techniques to understand the precise role soil structure plays in water uptake.

The attached image shows the boundary of the soil aggregate (left), the bulk soil geometry comprising of a collection of aggregates (middle) and the internal pore structure of the soil aggregate, which is composed of a selection of soil particles (right). The soil particles are shown in brown, the water in blue and the air bubbles in white.

Credit: Image courtesy of University of Southampton

The increased global consumption of food means that there is an increasing yield gap between crop production and crop usage. To help tackle this issue, a team of scientists from the University of Southampton has used advanced mathematical modelling techniques to understand the precise role soil structure plays in water uptake.

Modelling of flow in soil and uptake of water by plants is essential both for understanding and optimising agricultural processes which, in turn, provides the means to maximise crop yield. The team used the University’s IRIDIS High Performance Computing Facility to study the effect of different geometrical features within the soil and used these models to measure how these features affect the overall hydraulic properties.

In order to measure the flow of water through soil, they first had to examine the flow of water around a single soil particle. Next they looked at the flow properties of a collection of soil particles, known as a soil aggregate. This multi-scale approach captured the underlying geometry through a series of targeted computer simulations.

The researchers found that the flow properties near the surface of the aggregates are a key factor which determines the overall flow properties in soil. The flow properties of the soil aggregates are effectively determined by the intra-aggregate pore. The relatively small size of these pores renders the aggregates as almost completely impermeable. However, near the aggregate surface these pores act to increase the size of the (much larger) inter-aggregate pores and results in a much larger flow throughout the bulk soil.

Co-author Dr Keith Daly, a Research Fellow in Engineering and the Environment at the University of Southampton, says:

«The models developed in this work will be used to develop an understanding of flow in different soil types. This, in turn, will be used to develop optimal soil treatments to increase plant-water uptake and, hence, crop yield. This will be of particular importance for the 30 per cent of UK wheat which is grown on drought prone land.»

The study, which was funded by the Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) and the Royal Society University Research Fellowship, is published in the journal Proceedings of the Royal Society A.

Story Source: The above story is based on materials provided by University of Southampton. Note: Materials may be edited for content and length.

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University of Southampton. «New study highlights key role soil structure plays in water uptake by crops.» ScienceDaily. ScienceDaily, 10 December 2013. <www.sciencedaily.com/releases/2013/12/

Abstract del trabajo original

ABSTRACT Flow in both saturated and non-saturated vuggy porous media, i.e. soil, is inherently multiscale. The complex microporous structure of the soil aggregates and the wider vugs provides a multitude of flow pathways and has received significant attention from the X-ray computed tomography (CT) community with a constant drive to image at higher resolution. Using multiscale homogenization, we derive averaged equations to study the effects of the microscale structure on the macroscopic flow. The averaged model captures the underlying geometry through a series of cell problems and is verified through direct comparison to numerical simulations of the full structure. These methods offer significant reductions in computation time and allow us to perform three-dimensional calculations with complex geometries on a desktop PC. The results show that the surface roughness of the aggregate has a significantly greater effect on the flow than the microstructure within the aggregate. Hence, this is the region in which the resolution of X-ray CT for image-based modelling has the greatest impact.