CHARACTERIZATION OF MACROPORE MORPHOLOGY IN A SANDY LOAM SOIL USING X-RAY COMPUTER ASSISTED TOMOGRAPHY AND GEOSTATISTICAL ANALYSIS

Abstract

Our understanding of the factors affecting the leaching of chemicals such as pesticides and fertilizers into soils is limited, due in part to a lack of adequate non-destructive measurements of soil pore size distribution. The recent application of X-Ray Computer Assisted Tomography scanning to non-medical fields such as soil physics has allowed the development of a new and non-destructive technique with considerable potential for quantification of soil and water processes. The present study was undertaken to develop an innovative protocol for the characterization and visualization of soil macropores. It focuses primarily on the characterization of macropore morphology in large undisturbed soil columns using a 4th generation X-ray CAT scanner. The objective of the study is to assess, in quantitative terms, variations in the morphology of macropores as a function of depth. In order to evaluate these variations, the number of macropores, soil macroporosity, macropore size, hydraulic radius, and circularity have been computed and are presented in the paper. Aspects of geostatistics, which have been used to describe the spatial distribution and spatial continuity of soil macroporosity are also presented. Pores larger or equal to 1.0 mm in equivalent diameter were readily detected. It was found that the average macroporosity of the four soil columns fluctuated between 2.1 and 3.8%. Macroporosity was found to decrease significantly with depth. Similarly, the number of macropores decreased by 0.7% to 2.5% over the entire depth of the soil columns. It was also found that the macropore-size distributions exhibited a peak for all soil columns and at all depths for macropores having an equivalent cylindrical diameter ranging from 2–4 mm. The number of macropores in this category decreased with depth. From the hydraulic radius distribution, it was inferred that about 20% of macropore throats have a diameter of 1.6 mm. Moreover, it was noted that the relative percentage of circular macropores increased with depth. Semi-variograms showed spatial dependency for most soil sections up to 22 pixels (17 mm).

Notre compréhension des facteurs affectant l’infiltration de composés chimiques tels que les pesticides et les engrais dans le sol est limitée par le manque de techniques non-destructrices pour mesurer la distribution des pores du sol. L’application récent de la technique de CAT scanning dans des domaines non-médicaux, tel que la physique du sol, a permis le développement d’une nouvelle approche pour la quantification des phénomènes d’écoulement dans le sol. Cette étude a été entreprise pour développer un protocole innovateur visant à caractériser et visualiser les macropores du sol. Plus précisément, cet article présente une approche pour caractériser la morphologie des macropores dans 4 grandes carrottes de sol avec un CAT scanner de la 4ème génération. L’objectif de cette étude est d’étudier les variations de la morphologie des macropores en fonction de la profondeur. Pour évaluer ces variations, la macroporosité du sol, le nombre de macropores, leurs tailles, leurs rayons hydrauliques, et leurs circularités ont été calculés. De plus, des techniques de géostatistique utilisées pour décrire la distribution spatiale de la macroporosité du sol, sont aussi présentées. Les pores plus grands que 1.0 mm de diamètre, (c.-à-d., les macropores), furent détectés sans problème. Les résultats indiquent que le macroporosité moyenne des quatres colonnes de sol fluctue entre 2.1 et 3.8%. De plus, le macroporosité diminue avec la profondeur. De la même façon, il a été trouvé que le nombre de macropores diminuait de 0.7% à 2.5% pour l’ensemble des colonnes de sol. Il a aussi été découvert que les distributions de la taille des macropores présentent un sommet pour toutes les colonnes de sol et à toute profondeur pour les macropores qui ont un diamètre cylindrique de 2 à 4 mm. Le nombre de macropores tombant dans cette catégorie diminue avec la profondeur. Après avoir étudié la distribution des rayons hydrauliques des macropores, il a été conclu qu’environ 20% des gorges des macropore ont un diamètre de 1.6 mm. De plus, il a été noté que le pourcentage relatif de macropores circulaires augmentait avec la profondeur. La distribution et la continuité spatialle des macropores du sol, estimées par analyse géostatistique, a montré que la dépendance spatiale pour la plupart des sections du sol s’étendait jusqu’à 22 pixels (c.-à-d., 17 mm).