ช่องว่างในดินประกอบด้วย เฟส ของเหลวและก๊าซของดินกล่าวคือ มีทุกอย่างยกเว้นเฟสของแข็งซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยแร่ธาตุขนาดต่างๆ รวมถึงสารประกอบอินทรีย์

เพื่อให้เข้าใจถึงความพรุน ได้ดียิ่งขึ้น จึงได้มีการใช้ชุดสมการ เพื่อแสดงปฏิสัมพันธ์ เชิงปริมาณระหว่างองค์ประกอบทั้งสามของดิน

รูพรุนขนาดใหญ่หรือรอยแตกมีบทบาทสำคัญในอัตราการซึมผ่าน^{[ 1 ]}ในดินหลายชนิด รวมถึงรูปแบบการไหลแบบเฉพาะเจาะจง^{[ 2 ]}การนำไฟฟ้าทางไฮดรอลิก^{[ 3 ]}และการระเหยของน้ำ [ ^{4 ] รอย}แตกยังมีอิทธิพลอย่างมากต่อการแลกเปลี่ยนก๊าซ ซึ่งส่งผลต่อการหายใจภายในดิน^{[ 5 ]}ดังนั้น การสร้างแบบจำลองรอยแตกจึงช่วยให้เข้าใจว่ากระบวนการเหล่านี้ทำงานอย่างไร และผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงในรอยแตกของดิน เช่นการอัดแน่นสามารถส่งผลต่อกระบวนการเหล่านี้ได้ อย่างไร ^{[ 6 ]}

ช่องว่างในดินเป็นแหล่งอาศัยของรากพืช ( ไรโซสเฟียร์ ) ^{[ 7 ]}สัตว์ในดิน^{[ 8 ]}และจุลินทรีย์ [ ^{9 ]}และในทางกลับกัน รากพืชที่กำลังเจริญเติบโต^{[ 10 ]}และสัตว์ในดินที่ขุดรู^{[ 11 ] ก็ส่งผลกระทบต่อช่องว่างใน ดิน}โดยการสร้างเครือข่ายของรูพรุนที่เชื่อมต่อกัน^{[ 12 ]}

${\displaystyle \rho _{dry}={\frac {M_{solid}}{V_{total}}}}$

ความหนาแน่นแห้งของดินขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของแร่ธาตุ/อินทรีย์ที่ประกอบเป็นดิน^{[ 13 ]}และระดับการอัดแน่น ของ ดิน^{[ 14 ]}ความหนาแน่นของควอตซ์อยู่ที่ประมาณ 2.65 กรัม/ซม^³แต่ความหนาแน่นแห้งของดินอาจน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของค่าดังกล่าว

ดินส่วนใหญ่มีความหนาแน่นแห้งระหว่าง 1.0 ถึง 1.6 กรัม/ซม^³แต่ดินอินทรีย์อาจมีความหนาแน่นแห้งต่ำกว่า 1 กรัม/ซม^³มาก^{[ 15 ]}

การเก็บ ตัวอย่างดินทำได้โดยการใช้เหล็กแหลมแทงลงไปในดินที่ระดับความลึกหรือชั้นดิน ที่ต้องการ จากนั้นนำตัวอย่างดินไปอบแห้งในเตาอบ (โดยทั่วไปที่อุณหภูมิ 105 องศาเซลเซียส) จนกว่าจะมีน้ำหนักคงที่

${\displaystyle {\rm {{ความหนาแน่นรวมแห้ง}={\frac {\rm {(มวลของดินแห้งในเตาอบ)}}{\rm {(ปริมาตรตัวอย่างทั้งหมด)}}}}}}$

ดังนั้น ความหนาแน่นแห้งของดินจึงแปรผกผันกับความพรุน ของดิน ยิ่งดินมีช่องว่างมากเท่าใด ความหนาแน่นแห้งของดินก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น

${\displaystyle \eta ={\frac {V_{รูขุมขน}}{V_{รวม}}}={\frac {V_{ของเหลว}}{V_{รวม}}}}$

หรือโดยทั่วไปแล้ว สำหรับดินที่ไม่อิ่มตัวซึ่งรูพรุนเต็มไปด้วยของเหลวสองชนิด ได้แก่ อากาศและน้ำ:

${\displaystyle \eta ={\frac {V_{อากาศ}+V_{น้ำ}}{V_{ของแข็ง}+V_{อากาศ}+V_{น้ำ}}}}$

ความพรุนคือการวัดปริมาณช่องว่างทั้งหมดในดิน ซึ่งกำหนดเป็นเศษส่วนของปริมาตรมัก แสดงเป็น เปอร์เซ็นต์ปริมาณความพรุนในดินขึ้นอยู่กับแร่ธาตุที่ประกอบเป็นดินและปริมาณการเรียงตัวที่เกิดขึ้นภายในโครงสร้างดินตัวอย่างเช่น ดินทรายจะมีปริมาณความพรุนมากกว่าดินทรายปนตะกอน เนื่องจากตะกอนจะเติมเต็มช่องว่างระหว่าง อนุภาค ทรายและยิ่งมีมากขึ้นในส่วนผสมของดินเหนียว ตะกอน และทราย^{[ 16 ]}${\displaystyle \eta }$

ค่าการนำไฟฟ้าทางไฮดรอลิก (K) เป็นคุณสมบัติของดินที่อธิบายถึงความง่ายในการที่น้ำสามารถเคลื่อนที่ผ่านช่องว่างของรูพรุน ขึ้นอยู่กับ ความสามารถในการซึม ผ่านของวัสดุ (รูพรุน การอัดแน่น) และระดับความอิ่มตัวของดินค่าการนำไฟฟ้าทางไฮดรอลิกที่อิ่มตัว K อธิบายถึงการเคลื่อนที่ของน้ำผ่านตัวกลางที่อิ่มตัว ซึ่งค่าการนำไฟฟ้าทางไฮดรอลิกสามารถวัดได้ในทุกสถานะ สามารถประมาณค่าได้ด้วยอุปกรณ์หลายชนิด ในการคำนวณค่าการนำไฟฟ้าทางไฮ ดรอลิก จะใช้ กฎของดาร์ซีการปรับเปลี่ยนกฎขึ้นอยู่กับความอิ่มตัวของดินและเครื่องมือที่ใช้^{[ 17 ]}

การซึมผ่านคือกระบวนการที่น้ำบนผิวดินเข้าสู่ดิน น้ำเข้าสู่ดินผ่านรูพรุนด้วยแรงโน้มถ่วงและแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย รอยแตกและรูพรุนขนาดใหญ่เป็นแหล่งกักเก็บน้ำชั้นดีสำหรับการชะล้างครั้งแรก ทำให้เกิดการซึมผ่าน อย่างรวดเร็ว โดยส่วนใหญ่เกิดจากแรงโน้มถ่วง รูพรุนขนาดเล็กใช้เวลานานกว่าในการเติมเต็มและต้องอาศัยแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยรวมถึงแรงโน้มถ่วงด้วย รูพรุนขนาดเล็กมีการซึมผ่านช้าลงเมื่อดินอิ่มตัว มากขึ้น รวมถึงเมื่อมีอากาศติดอยู่ภายในรูพรุนขนาดเล็ก^{[ 18 ]}

รูพรุนไม่ได้เป็นเพียงช่องว่างในโครงสร้างของแข็งของดินเท่านั้น รูพรุนแต่ละประเภทมีขนาดแตกต่างกันและมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับจำนวนและความถี่ของแต่ละประเภท^{[ 19 ]}การจำแนกขนาดรูพรุนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือการจำแนกของ Brewer (1964): ^{[ 20 ] [ 21 ]}

รูพรุนที่มีขนาดใหญ่เกินกว่าจะมีแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย อย่างมีนัยสำคัญ เว้นแต่จะถูกขัดขวางโดยการปิดรูพรุน น้ำจะไหลออกจากรูพรุนเหล่านี้ และโดยทั่วไปแล้วจะมีอากาศอยู่ภายในเมื่อถึงความจุภาคสนามรูพรุนขนาดใหญ่สามารถเกิดขึ้นได้จากการแตกร้าว การแบ่งตัวของก้อนดินและกลุ่มดินรวมถึงรากพืชและการสำรวจของสัตว์^{[ 22 ]}ขนาด > 75 μm ^{[ 23 ]}

รูพรุนขนาดใหญ่ที่สุดจะเต็มไปด้วยน้ำที่ระดับความจุภาคสนามเรียกอีกอย่างว่ารูพรุนเก็บกักน้ำเนื่องจากความสามารถในการเก็บกักน้ำที่เป็นประโยชน์ต่อพืชและสิ่งมีชีวิตในดิน^{[ 24 ]} รูพรุน เหล่านี้ไม่มีแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยมากเกินไปจนน้ำไม่เป็นปัจจัยจำกัดสำหรับพืช นักวิทยาศาสตร์ด้านดินศึกษาคุณสมบัติของรูพรุนขนาดกลางอย่างละเอียดเนื่องจากมีผลกระทบต่อการเกษตรและการชลประทาน [ ^{25 ] ขนาด} 30–75 μm ^{[ 23 ]}

รูพรุนเหล่านี้มีขนาดเล็กพอที่น้ำภายในรูพรุนเหล่านี้จะถือว่าไม่เคลื่อนที่ แต่สามารถสกัดได้จากพืช^{[ 26 ]}เนื่องจากมีการเคลื่อนที่ของน้ำในรูพรุนเหล่านี้น้อยมาก การเคลื่อนที่ของสารละลายจึงเกิดขึ้นโดยกระบวนการแพร่เป็นหลัก^{[ 27 ]}ขนาด 5–30 μm ^{[ 23 ]}

รูพรุนเหล่านี้เหมาะสำหรับการอยู่อาศัยของจุลินทรีย์ภายในกลุ่มอนุภาค โดยให้การปกป้องจากผู้ล่า (เช่น อะมีบา ไส้เดือนฝอย) ^{[ 28 ]}มีความสัมพันธ์เชิงบวกระหว่างปริมาตรของรูพรุนขนาดเล็กมากกับชีวมวลของแบคทีเรีย^{[ 29 ]}การกระจายตัวของรูพรุนขนาดเล็กมากถูกกำหนดโดยเนื้อดินและอินทรียวัตถุในดินและไม่ได้รับผลกระทบอย่างมากจากการอัดแน่น^{[ 30 ]}ขนาด 0.1–5 μm ^{[ 23 ]}

รูพรุนที่มีขนาดเล็กเกินกว่าที่จุลินทรีย์ส่วนใหญ่จะแทรกซึมเข้าไปได้ ดังนั้นสารอินทรีย์ในรูพรุนเหล่านี้จึงได้รับการปกป้องจากการย่อยสลายโดยจุลินทรีย์^{[ 31 ]}รูพรุนเหล่านี้เต็มไปด้วยน้ำ เว้นแต่ว่าดินจะแห้งมาก แต่น้ำส่วนน้อยนี้ไม่สามารถนำไปใช้กับพืชได้ และการเคลื่อนที่ของน้ำก็ช้ามาก^{[ 30 ]}ขนาด < 0.1 μm ^{[ 23 ]}

การสร้างแบบจำลองรอยแตกพื้นฐานได้ดำเนินการมาหลายปีแล้วจากการสังเกตและการวัดขนาด การกระจาย ความต่อเนื่อง และความลึกของรอยแตกอย่างง่าย การสังเกตเหล่านี้อาจเป็นการสังเกตบนพื้นผิว^{[ 32 ]}หรือทำบนโปรไฟล์ในหลุม^{[ 33 ]}การลากเส้นและวัดรูปแบบรอยแตกด้วยมือบนกระดาษเป็นวิธีการหนึ่งที่ใช้ก่อนความก้าวหน้าในเทคนิคดิจิทัล อีกวิธีหนึ่งที่ใช้กันในภาคสนามคือการใช้เชือกและลวดรูปครึ่งวงกลม^{[ 34 ]}ลวดรูปครึ่งวงกลมจะถูกเลื่อนไปตามด้านสลับกันของเส้นเชือก รอยแตกภายในครึ่งวงกลมจะถูกวัดความกว้าง ความยาว และความลึกโดยใช้ไม้บรรทัด การกระจายของรอยแตกจะคำนวณโดยใช้หลักการของเข็มของบัฟฟอน

การใช้เครื่องวัดการซึมผ่านแบบจานอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าขนาดของรอยแตกมีศักยภาพของน้ำ ที่แตกต่างกันหลาย ช่วง ที่ศักยภาพของน้ำเป็นศูนย์ที่ผิวดิน จะมีการประมาณค่าการนำไฟฟ้าไฮดรอ ลิกอิ่มตัว โดยที่รูพรุนทั้งหมดเต็มไปด้วยน้ำ เมื่อศักยภาพลดลง รอยแตกที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จะระบายออก การวัดการนำไฟฟ้าไฮดรอลิกที่ศักยภาพเชิงลบหลายช่วงจะช่วยให้สามารถกำหนดการกระจายขนาดของรูพรุน ได้ ^{[ 35 ]}แม้ว่านี่จะไม่ใช่แบบจำลองทางกายภาพของรอยแตก แต่ก็บ่งชี้ถึงขนาดของรูพรุนภายในดิน

Horgan และ Young (2000) ได้พัฒนาแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อทำนายวิวัฒนาการสองมิติของการเกิดรอยแตกบนพื้นผิว โดยอิงจากการสังเกตว่าเมื่อรอยแตกอยู่ใกล้กันในระยะที่กำหนด รอยแตกเหล่านั้นมักจะดึงดูดซึ่งกันและกัน นอกจากนี้ รอยแตกยังมีแนวโน้มที่จะก่อตัวและวางตัวอยู่ในช่วงมุมที่เฉพาะเจาะจง และในบางช่วง มวลรวมบนพื้นผิวจะถึงขนาดที่รอยแตกจะไม่เกิดขึ้นอีกต่อไป ลักษณะเหล่านี้มักเป็นลักษณะเฉพาะของดิน และสามารถวัดได้ในภาคสนามและนำมาใช้ในแบบจำลอง อย่างไรก็ตาม แบบจำลองนี้ไม่สามารถทำนายจุดเริ่มต้นของการแตกได้ และถึงแม้ว่าความสุ่มจะมีส่วนร่วมในการก่อตัวของรูปแบบรอยแตก แต่ในหลายๆ ด้าน การแตกของดินมักจะไม่เกิดขึ้นแบบสุ่ม แต่เกิดขึ้นตามแนวความอ่อนแอ^{[ 36 ]}

ตัวอย่างดินที่ไม่ถูกรบกวนจะถูกชุบด้วยเรซินสังเคราะห์ที่มีความเหลวเพียงพอ( ความหนืดต่ำ)ผสมกับสีย้อมเรืองแสง (เช่นฟลูออเรสซีน ) จากนั้นตัวอย่างจะถูกตัดออกโดยใช้ระบบเจียรอย่างค่อยเป็นค่อยไป ( ประมาณ 1 มม.ต่อขั้นตอน) ในแต่ละขั้นตอน พื้นผิวภายนอกของตัวอย่างจะถูกส่องสว่างด้วย แสง อัลตราไวโอเลตหรือ แสง สีน้ำเงินและถ่ายภาพด้วยกล้องดิจิทัลจากนั้น จะทำการ วิเคราะห์ภาพดิจิทัลด้วยคอมพิวเตอร์ ความลึก ความต่อเนื่อง พื้นที่ผิว และการวัดอื่นๆ สามารถทำได้บนรอยแตกที่ชุบด้วยเรซินเรืองแสงภายในดิน^{[ 37 ]}

เนื่องจากความต้านทานของอากาศมีค่าอนันต์ จึงสามารถทำแผนที่ช่องว่างที่เต็มไปด้วยอากาศภายในดินได้ เครื่องวัดความต้านทานที่ออกแบบมาเป็นพิเศษได้ปรับปรุงการสัมผัสระหว่างเครื่องวัดกับดิน และด้วยเหตุนี้จึงขยายพื้นที่การอ่าน^{[ 38 ]}เทคนิคนี้ให้ภาพที่สามารถวิเคราะห์คุณสมบัติของรอยแตกได้หลากหลาย

• Foth, HD (1990). พื้นฐานวิทยาศาสตร์ดิน (Wiley, นิวยอร์ก)
• Harpstead, MI (2001). วิทยาศาสตร์ดินฉบับย่อ (สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยรัฐไอโอวา, เอมส์)
• ฮิลเลล, ดี. (2004). บทนำสู่ฟิสิกส์ดินสิ่งแวดล้อม (Elsevier/Academic Press, อัมสเตอร์ดัม, ซิดนีย์)
• Kohnke, H. (1995). วิทยาศาสตร์ดินฉบับย่อ (Waveland Press: Prospect Heights, Illinois )
• ลีเปอร์, จีดับบลิว (1993). วิทยาศาสตร์ดิน: บทนำ ( สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเมลเบิร์น , คาร์ลตัน, วิกตอเรีย )