Toprakların Isısal Özellikleri ile Bazı Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Arasında Regresyon Modellerin Belirlenmesi

Year 2021, Volume: 10 Issue: 1, 68 - 77, 30.03.2021

İmanverdi Ekberli , Coşkun Gülser , Orhan Dengiz

https://doi.org/10.21657/topraksu.885688

Abstract

Toprakta sıcaklık alanının oluşumu ve ısı transferinin gerçekleşmesi toprakların ısısal özelliklerinin değişimi ile ilişkili olmaktadır. Isısal özellikler iklim faktörlerine ve toprak özelliklerine bağlı olarak değişmektedir. Bu araştırmada topraklarının hacimsel ısı kapasitesi, ısısal yayınım ve ısı iletkenliği katsayıları gibi ısısal özellikleri ile deneysel olarak daha kolay belirlenebilen bazı fiziksel ve kimyasal toprak özellikleri (EC, OM, Kil, Silt, Kum, HA, ) arasında regresyon modeller oluşturulmuştur. Toprakların hacimsel ısı kapasitesiyle EC, OM, kil, silt, kum ve HA özellikleri arasında yapılan regresyon modelinin istatistiksel anlamlılık düzeyi (p=0.001) ve regresyon katsayısı (R2=0.76) yüksek olarak belirlenmiştir. Bağımsız değişkenlere hacimsel nem içeriğinin ( ) eklenmesi modellerin performasını (R2=0.77-0.99) yükseltmiş; , EC, OM, Kil, Silt, Kum, HA özelliklerini kapsayan regresyon modelinin istatistiksel anlamlılık düzeyi (p=0.000) ve regresyon katsayısı çok yüksek olarak saptanmıştır. Toprakların ısısal yayınım katsayısı ile EC, OM, Kil, Kum, Silt, HA, özellikleri arasındaki regresyon modelleri için R2=0.76 ve 0.79 (p=0.000 ve 0.002) olarak saptanmıştır. Regresyon modellerinin toprak özelliklerinin karesi, karekökü ve çarpımını kapsayan polinomlarla ifadesi modellerin performansını yükseltmiş; Kil, , Kil2, 2, , (EC•HA), , OM, OM2, HA toprak özelliklerini içeren model yüksek düzeyde istatistiksel anlamlılık (p=0.001) göstermiş ve daha yüksek regresyon katsayısı (R2=0.90) ile karakterize edilmiştir. Isı iletkenliği katsayı ile Kil, Silt, Kum, HA, toprak özellikleri arasındaki regresyon modelinin performansı yüksek (R2=0.71; p=0.001); , Kum, Kil, Silt, HA, EC2, OM2, HA2, ,EC, OM, parametreleri arasındaki modelin performansı ise çok yüksek (R2= 0.91; p= 0.012) olarak belirlenmiştir. Elde edilen regresyon modellerin, toprakların ısısal özelliklerinin tahmin edilmesinde uygulanabilirliği mümkün gözükmektedir.

Keywords

Hacimsel ısı papasitesi, Isısal yayınım katsayısı, Isı iletkenliği katsayısı, Toprak özellikleri

Determination of Regression Models Between Thermal Properties of Soils and Some Physical and Chemical Properties

Abstract

The formation of the temperature field in the soil and the realization of heat transfer are related to the change of the thermal properties of the soils. Thermal properties vary depending on climate factors and soil properties. In this study, regression models were created between the thermal properties of soils such as volumetric heat capacity, thermal diffusivity and thermal conductivity coefficients and some physical and chemical soil properties (EC, OM, Clay, Silt, Sand, Db, θ ) that could be determined more easily experimentally. The statistical significance level (p = 0.001) and regression coefficient (R2 = 0.76) of the regression model made between the volumetric heat capacity of soils and the properties of EC, OM, Clay, Silt, Sand and Db were determined to be high. Adding volumetric moisture content (θ ) to independent variables increased the performance of the models (R2 = 0.77-0.99); the statistical significance level (p = 0.000) and the regression coefficient of the regression model including θ, EC, OM, Clay, Silt, Sand, Db properties were found to be very high. The thermal diffusion coefficient of soils and the regression models between EC, OM, Clay, Sand, Silt, Db, θ properties were determined as R2 = 0.76 and 0.79 (p = 0.000 and 0.002). The expression of regression models with polynomials including the square, square root and product of soil properties increased the performance of the models; the model including Clay, θ, Clay2, θ, √OM , (EC·Db), √Clay , OM, OM2, Db soil properties showed high level of statistical significance (p = 0.001) and was characterized by a higher regression coefficient (R2 = 0.90). The performance of the regression model between the thermal conductivity coefficient and Clay, Silt, Sand, Db, θ soil properties is high (R2 = 0.71; p = 0.001); the performance of the model among the parameters θ, Sand, Clay, Silt, Db, EC2, OM2, Db2, θ2 , EC, √OM, was determined to be very high (R2 = 0.91; p = 0.012). It seems possible that the regression models obtained can be applied in estimating the thermal properties of soils.

Keywords

Volumetric heat capacity,, Thermal diffusion coefficient,, Thermal conductivity coefficient,, Soil properties,, Regression model

References

• Abu-Hamdeh NH, Reeder RC (2000). Soil thermal conductivity: effects of density, moisture, salt concentration, and organic matter. Soil Science Society of America Journal, 64: 1285-1290.
• Arias-Penas D, Castro-Garcia MP, Rey-Ronco MA, Alonso-Sanchez T (2015). Determining the thermal diffusivity of the ground based on subsoiltemperatures. Preliminary results of an experimental geothermalborehole study Q-THERMIE-UNIOVI. Geothermics, 54: 35-42.
• Arhangelskaya TA (2004). Thermal diffusivity of gray forest soils in the Vladimir Opol'e region. Eurasian Soil Science, 37(3): 285-294.
• Arkhangelskaya T, Lukyashchenko K (2018). Estimating soil thermal diffusivity at different water contents from easily available data on soil texture, bulk density, and organic carbon content. Biosystems Engineering, 168: 83-95.
• Barry-Macaulay D, Bouazza A, Wang B, Singh RM (2015). Evaluation of soil thermal conductivity models. Canadian Geotechnical Journal, 52(11): 1892-1900.
• Bayat H, Mazaheri B, Mohanty BP (2019). Estimating soil water characteristic curve using landscape features and soil thermal properties. Soil & Tillage Research, 189: 1-14.
• Binxiang S, Xuezu X, Yuanming L, Dongqing L, Shuangjie W, Jinzhao Z (2004). Experimental researches of thermal diffusivity and conductivity in embankment ballast under periodically fluctuating temperature. Cold Regions Science and Technology, 38: 219-227.
• Blake GR, Hartge KH (1986). Bulk density and particle denstity. In: Methods of soil analysis, Part I, Phsical and mineralogical methods. ASA and SSSA Agronomy Monograph No: 9 (2nd ed.), Madison, pp. 363-381.
• Bouyoucos GJ (1951). A Recalibration of the hydrometer method for making mechanical analysis of soil. Agronomy Journal, 43: 434-438.
• Bristow KI, Kluitenberg GJ, Goding CJ, Fitzgerald TS (2001). A small multi-needle probe for measuring soil thermal properties, water content and electrical conductivity. Computers and Electronics in Agriculture, 31: 265-280.
• Correia A, Vieira G, Ramos M (2012). Thermal conductivity and thermal diffusivity of cores from a 26 meter deep borehole drilled in Livingston Island, Maritime Antarctic. Geomorphology, 155-156: 7-11.
• Dengiz O, Ekberli İ (2017). Bazı vertisol alt grup topraklarının fizikokimyasal ve ısısal özelliklerinin incelenmesi. Akademik Ziraat Dergisi, 6(1): 45-52.
• Ekberli İ, Dengiz O (2017). Bazalt ana materyali ve farklı topografik pozisyonlar üzerinde oluşmuş toprakların bazı topografik ve fiziko-kimyasal özellikleri arasındaki doğrusal regresyon modellerinin belirlenmesi. Toprak Su Dergisi, 6(1): 15-27.
• Ekberli İ, Dengiz O (2016). Bazı inceptisol ve entisol alt grup topraklarının fizikokimyasal özellikleriyle ısısal yayınım katsayısı arasındaki regresyon ilişkilerin belirlenmesi. Toprak Su Dergisi, 5(2): 1-10.
• Ekberli İ, Gülser C (2014). Estımatıon of soil temperature by heat conductıvıty equatıon. Vestnik Bashkir State Agrarian University (Вестник Башкирского Государственного Аграрного Университета), 2(30): 12-15.
• Ekberli İ, Gülser C, Dengiz O (2021). Aluviyal depositler üzerinde oluşmuş genç ve gelişmekte olan toprakların ısı akışı ve ısı miktarının incelenmesi. Toprak Su Dergisi, 10(1): 1-12.
• Ekberli İ, Gülser C, Dengiz O (2020). Yarı humid ekolojik koşullar altında oluşmuş bazı vertisol alt grup toprakların profillerinde ısı akışının belirlenmesi. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 35(2): 198-207.
• Ekberli İ, Gülser C, Özdemir N (2015). Toprakta ısı iletkenliğine etki yapan ısısal parametrelerin teorik incelemesi. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 30(3): 300-306.
• Ekberli İ, Sarılar Y (2015). Toprak sıcaklığının profil boyunca sönme derinliğinin ve gecikme zamanının belirlenmesi. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesinin Dergisi, 52(2): 219-225.
• Farouki OT (1982). Evaluation of methods for calculating soil thermal conductivity (CRREL Report No: 82-88). Hanover, NH: Trans Tech Publications.
• Farouki OT (1981). The thermal properties of soils in cold regions. Cold Regions Science and Technology, 5: 67-75.
• Gamage DNV, Biswas A, Strachan IB (2019). Spatial variability of soil thermal properties and their relationships with physical properties at field scale. Soil & Tillage Research, 193: 50-58.
• Gülser C, Ekberli İ (2002). Toprak sıcaklığının profil boyunca değişimi. Ondokuz Mayıs Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 17(3): 43-47.
• Gülser C, Ekberli İ (2019). Toprak sıcaklığının tahmininde ısı taşınım denklemi ve pedotransfer fonksiyonun karşılaştırılması. Toprak Bilimi ve Bitki Besleme Dergisi, 7(2): 158-166.
• Gülser C, Ekberli İ, Mamedov A, Özdemir N (2018). Faz değişimine bağlı olarak ısı iletkenliği denkleminin incelenmesi ve toprak neminin ısısal yayınıma etkisi. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 33(3): 261-269.
• Gülser C, Ekberli İ, Mamedov A 2019. Toprak sıcaklığının yüzey ısı akışına bağlı olarak değişimi. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Tarım Bilimleri Dergisi, 29 (1): 1-9. Hanks RJ, Ashcroft GJ (1980). Applied soil physics. Soil water and temperature applications. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, pp. 125-144.
• Hilel D (2004). Introduction to environmental soil physics. Elsevier Academic Press, USA, pp. 215-233. Jackson ML (1958). Soil chemical analysis. Verlag: Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J.
• Kars N, Ekberli İ (2019). Buğday bitkisinin verim parametreleri ile bazı toprak özellikleri arasındaki pedotransfer modellerin uygulanabilirliği. Türkiye Tarımsal Araştırmalar Dergisi, 6(2): 153-164.
• Kohout M, Collier AP, Stepanek F (2004). Effective thermal conductivity of wet particle assemblies. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47(25): 5565-5574.
• Kurtener DA, Chudnovskii AF (1979). Agrometeorological basics of the thermal amelioration of soils (in Russian). Press Gidrometeoizdat, Leningrad, p. 231.
• Lipiec J, Hatano R (2003). Quantification of compaction effects on soil physical properties and crop growth. Geoderma, 116: 107-136.
• Liu Z, Xu J, Li X, Wang J (2018). Mechanisms of biochar effects on thermal properties of red soil in South China. Geoderma, 323: 41-51.
• Lu S, Lu Y, Peng W, Ju Z, Ren T (2019). A generalized relationship between thermal conductivity and matric suction of soils. Geoderma, 337: 491-497.
• Lu Y, Yu W, Hu D, Liu W (2018). Experimental study on the thermal conductivity of aeolian sand from the Tibetan Plateau. Cold Regions Science and Technology, 146: 1-8.
• Moreno RO, Armindo RA, Moreno RL (2019). Development of a low-cost automated calorimeter for determining soil specific heat. Computers and Electronics in Agriculture 162: 348–356.
• Poluektov RA, 1991. Agroecosystem dynamics simulation (in Russian). Press Gidrometeoizdat, Leningrad, pp. 61-69.
• Richards LA (Editor) (1954). Diagnosis and Improvement of Saline and Alkaline Soils. United States Salinity Laboratory Staff. United States Department of Agriculture, Handbook No: 60, p.160.
• Roxy MS, Sumithranand VB, Renuka G (2014). Estimation of soil moisture and its effect on soil thermal characteristics at Astronomical Observatory, Thiruvananthapuram, South Kerala. Journal of Earth System Science, 123(8): 1793-1807.
• Roxy MS, Sumithranand VB, Renuka G (2010). Variability of soil moisture and its relationship with surface albedo and soil thermal diffusivity at Astronomical Observatory, Thiruvananthapuram, South Kerala. Journal of Earth System Science, 119(4): 507-517.
• Rozanski A, Stefaniuk D (2016). Prediction of solid thermal conductivity from soil separates and organic matter content: Computational micromechanics approach. European Journal of Soil Science, 67: 551-563.
• Sterling AT, Jackson RD (1986). Temperature. In: Klute, A. (Ed.), Methods of Soil Analysis Part 1. Physical and Mineralogical Methods. Agronomy Monograph No: 9, ASA, SSSA, Madison WI.
• Sugathan N, Biju V, Renuka G (2014). Influence of soil moisture content on surface albedo and soil thermal parameters at a tropical station. Journal of Earth System Science, 125(5): 1115-1128.
• Tarnawski VR, Leong WH (2000). Thermal conductivity of soils at very low moisture content and moderate temperatures, Transport in Porous Media, 41(2): 137-147.
• Tian Z, Lu Y, Horton R, Ren T (2016). A simplified de Vriesbased model to estimate thermal conductivity of unfrozen and frozen soil. European Journal of Soil Science, 67(5): 564-572.
• Trombotto D, Borzotta E (2009). Indicators of present global warming through changes in active layer-thickness, estimation of thermal diffusivity and geomorphological observations in the Morenas Coloradas rockglacier, Central Andes of Mendoza, Argentina. Cold Regions Science and Technology, 55: 321-330.
• Usowicz B, Lipiec J, Ferrero A (2006). Prediction of soil thermal conductivity based on penetration resistance and water content or air-filled porosity. International Journal of Heat and Mass Transfer, 49: 5010-5017.
• Usowicz B, Lipiec J, Łukowski M, Bis Z, Usowicz J, Latawiec AE (2020). Impact of biochar addition on soil thermal properties: Modelling approach. Geoderma, 376: 114574.
• Usowicz B, Lipiec J, Usowicz JB (2008). Thermal conductivity in relation to porosity and hardness of terrestrial porous media. Planetary and Space Science, 56: 438-447.
• Zhang M, Bi J, Chen W, Zhang X, Lu J (2018). Evaluation of calculation models for the thermal conductivity of soils. International Communications in Heat and Mass Transfer, 94: 14-23.
• Zhao Y, Si B, Zhang Z, Li M, He H, Hill RL (2019). A new thermal conductivity model for sandy and peat soils. Agricultural and Forest Meteorology, 274: 95-105.
• Zhou Y, Yan C, Tang AM, Duan C, Dong S (2019). Mesoscopic prediction on the effective thermal conductivity ofunsaturated clayey soils with double porosity system. International Journal of Heat and Mass Transfer, 130: 747-756.