Sampling and hydraulic properties of stony soils

Subjects of this thesis were sampling and hydraulic properties of stony soils. Sampling is important to achieve knowledge of soil spatial variability. Soil surveys are generally time-consuming, labour-intensive and costly. This is especially true in stony soils where large numbers of samples are required to obtain a rappresentative sample size, and where sampling efforts are bigger than in non-stony soils. The potential use, of electromagnetic induction scans (EMI) to measure bulk electrical conductivity (EC) and improve the estimate precision of sparsely sampled primary variables, was assessed in a 5-ha gravelly soil vineyard in Valpolicella, North-Eastern Italy. EMI measurements were taken using a Geonics EM38DD operating in both horizontal and vertical mode. Geoelectrical investigations were also done in 18 positions with the electrical resistivity tomography (ERT) method in order to obtain high-resolution images of soil profile. The spatial variability of soil properties and their relationships with EC, in horizontal and vertical mode, was estimated by multivariate geostatistical techniques. There was generally close relationship between EC and the measured physical properties. The results proved that EM38DD could be advantageously used to infer soil spatial variability in gravelly soils, even if ground-truth soil samples are necessary to understand and interpret EC measurements. Hydraulic properties were studied by different approaches. Reconstructed samples were manually constructed using sieved clay soil and synthetic sand, as fine earth fraction, and glass spheres or cylinders, as coarse fraction. The choice to use the glass was to have a material which did not have any porosity, so it could be possible to evaluate the steric role of coarse fragment on soil hydraulic properties. Saturated hydraulic conductivity (Ks) measurements and evaporation experiments were conducted to determine hydraulic conductivity function and soil water retention characteristic. Ks values were compared with the theoretical approaches as literature describes. These approaches decrease the soil water content and hydraulic conductivity as stone content increases. Evaporation results were fitted by RETC to determine the van Genuchten-Mualem parameters. Nevertheless the observed high variability, results showed that coarse fragment effect on soil hydraulic properties has to be considered, both in terms of reduction of area for water flow and increase of the tortuosity, and as a factor which influences fine earth characteristics, determining a fine earth bulk density variation (bdfe). Saturated hydraulic conductivity measurements, evaporation experiments and mercury intrusion porosimetry analyses were conducted on undisturbed samples. Evaporation results were inverted by Hydrus 1D to estimate the van Genuchten-Mualem parameters. Correlation matrix showed stone positive effect on saturated hydraulic conductivity, which might be explained by the negative relationship between fine earth bulk density and coarse fragment content and by the positive relationship between coarse fragments and macro-porosity classes. Eighteen tension disc infiltration experiments were conducted in three soils of Regione Lombardia, Northern Italy. Soils were different for texture, stone content and organic matter content. Infitrometry experiments were used to determine the van-Genuchten-Mualem parameters by mean of Hydrus 2D/3D, used in parameter estimation mode. Some pedotransfer functions (PTFs) were used as multiple regression tool to better understand the effects of the analysed factors. Results showed high variability and it was not possible to clearly define the coarse fragment effect on soil hydraulic properties. PTFs showed, by the way, the importance of using the fine earth bulk density, both measured and estimated, to improve the estimation of saturated hydraulic conductivity. PEST-Hydrus 3D interface was used to determine the van Genuchten-Mualem parameters of the fine earth fraction (sieved clay), of some previously described reconstructed samples, on which evaporation experiments were conducted. Unsaturated hydraulic conductivity, as influenced by tortuosity, was determined by simulated infiltration events by Hydrus 3D, using different domains which contained different “empty spaces”, comparable to the coarse fragment content. Ksoil/Kfe ratio is normally used to determine hydraulic conductivity reduction in increasing coarse fragment content. Ksoil/Kfe was used to observe the stone positive effect on fine earth characteristics: it showed a tendency of increase of the hydraulic conductivity as stone content increased. Ksoil/Kfe ratio was also used to determine tortuosity effect: for the studied soils, there were not differences between cylinder and sphere effect on hydraulic conductivity. Moreover, it was observed that tortuosity effect decreased as matric potential, in absolute value, increased. Results proved that the theoretical approach used to determine the water content reduction in increasing coarse fragment content is a realistic estimation tool. Approaches used to determine hydraulic conductivity in increasing stone content should consider both the tortuosity effect and the fine earth bulk density variation as determined by the presence of coarse fragments.

In questo lavoro di tesi si sono approfondite tematiche legate al campionamento e alle proprietà idrauliche dei suoli scheletrici. Il campionamento è un aspetto fondamentale per conoscere la variabilità presente in un suolo. La capacità di descrivere dettagliatamente la realtà in esame è influenzata, oltre che dai mezzi tecnici utilizzati per effettuare il campionamento, anche dalla disponibilità in termini economici e di tempo. Nei suoli scheletrici tali limiti sono aumentati dalla maggiore quantità di suolo necessaria per ottenere un campione significativo e dalla maggiore difficoltà di campionamento rispetto ai suolo non scheletrici. Sul suolo di un vigneto di 5 ha in Valpolicella (VR) è stata valutata la possibilità di utilizzare strumenti ad induzione elettromagnetica (EMI) per misurare la conducibilità elettrica (EC) e la possibilità di tali strumenti di migliorare la stima di variabili primarie del suolo. Lo strumento impiegato per determinare EC è stato Geonics EM38DD, utilizzato sia in modalità orizzontale che verticale. Si sono inoltre condotte 18 tomografie di resistenza elettrica (ERT) al fine di ottenere immagini ad alta risoluzione del profilo del suolo. La variabilità spaziale delle proprietà del suolo e i valori di EC, orizzontali e verticali, è stata stimata utilizzando tecniche geostatistiche multivariate. In generale si è trovata una buona relazione tra EC e le proprietà fisiche misurate, dimostrando che EM38DD potrebbe essere utilizzato in modo vantaggioso per inferire la variabilità spaziale in suoli scheletrici, anche se rimane necessario il campionamento in campo per capire ed interpretare le misure di EC. Le proprietà idrauliche sono state analizzate utilizzando diversi approcci. Si sono innanzitutto ricostruiti dei campioni, utilizzando come terra fine un terreno argilloso e della sabbia sintetica, e sfere e cilindri di vetro come materiale grossolano. Il vetro è stato scelto in quanto rappresenta un materiale non poroso e adatto a studiare l’influenze sterica di tali materiali sulle caratteristiche idrauliche del suolo. Al fine di determinare la ritenzione idrica e la conducibilità idraulica insatura sono state effettuate delle misure di conducibilità idraulica satura (Ks) ed esperimenti evaporimetrici. I valori di Ks sono stati confrontati con gli approcci teorici presenti in letteratura. Questi prevedono una riduzione della ritenzione idrica e della conducibilità idraulica in funzione del contenuto di scheletro. I dati derivanti dagli esperimenti evaporimetrici sono stati interpolati utilizzando RETC per determinare i parametri del’equazione di van Genuchten-Mualem. Da tali prove, nonostante l’alta variabilità presente, è emerso che l’influenza del materiale grossolano sulle proprietà idrauliche deve essere considerata sia in termini di riduzione dell’area disponibile per il flusso di acqua e di tortuosità, sia come fattore che influenza le caratteristiche della terra fine, determinando una variazione della massa volumica apparente della stessa (bdfe). Misure di conducibilità satura, esperimenti evaporimetrici e analisi di porosimetria ad intrusione di mercurio sono stati condotti su campioni indisturbati. I dati evaporimetrici ottenuti sono stati analizzati utilizzando Hydrus 1D al fine di stimare i parametri dell’equazione di van Genuchten-Mualem. Da un’analisi di correlazione è emersa la positiva influenza dello scheletro sulla conducibilità satura, che è spiegabile dalla relazione negativa tra massa volumica apparente e lo scheletro stesso, e dalla relazione positiva tra scheletro e le classi più macroporose. Diciotto analisi di infiltrazione, utilizzando un infiltrometro a tensione, sono state condotte in tre siti lombardi, differenti per tessitura, contenuto in scheletro e sostanza organica. Gli esperimenti infiltrometrici sono stati modelizzati con Hydrus 2D/3D, permettendo di stimare i parametri dell’equazione di van Genuchten-Mualem. Alcune funzioni di pedotrasferimento (PTFs) sono state inoltre utilizzate come strumento di regressione multipla per meglio capire l’influenza dei diversi fattori analizzati. La variabilità presente è risultata elevata, e non si è potuta determinare in modo chiaro l’influenza del solo scheletro sulle caratteristiche idrauliche. PTFs hanno, comunque, permesso di evidenziare l’importanza di utilizzare la densità apparente della terra fine, misurata o stimata, come fattore che migliora la capacità predittiva per la determinazione della conducibilità idraulica satura. Utilizzando PEST-Hydrus 3D è stato possibile determinare i parametri dell’equazione di van Genuchten-Mualem della sola terra fine, di alcuni dei campioni ricostruiti descritti in precedenza, su cui si erano condotti esperimenti evaporimetrici. Effettuando simulazioni di infiltrazione in Hydrus 3D, utilizzando domini a differente contenuto di “spazi vuoti”, assimilabili al contentuto di scheletro, si è inoltre determinato il comportamento della conducibilità idraulica insatura in funzione della tortuosità. Utilizzando Ksoil/Kfe, rapporto che è normalmente utilizzato per determinare la riduzione della conducibilità in funzione del contenuto di scheletro, si è potuto osservare la positiva influenza dello scheletro sulle caratteristiche della terra fine, evidenziando una tendenza all’aumento della conducibilità all’aumentare del contenuto di scheletro. Lo stesso approccio è stato utilizzato per determinare l’influenza della tortuosità: per i suoli studiati non sono emerse differenze tra l’influenza dei cilindri e delle sfere su questo parametro e si è osservato che l’incidenza della tortuosità decresce all’aumentare, in valore assoluto, del potenziale matriciale. Dai risultati ottenuti è un approccio realistico ipotizzare che in un suolo, mantenendo costanti le caratteristiche della terra fine, diminusca la ritenzione idrica in funzione dell’aumento del contenuto di scheletro su base volumetrica. Gli approcci utilizzati per determinare della conducibilità idraulica all’aumentare dello scheletro dovrebbero considerare, oltre all’influenza delle tortuosità, anche la variazione di massa volumica apparente della terra fine determinata dalla presenza dello scheletro stesso.