मृदा की संरचना
मृदा संरचना से आशय मिट्टी के द्रव्यमान में ठोस चरण के विन्यास से है। जैसा कि ज्ञात है, मृदा ठोस कणों और जल, वायु या जलवाष्प से भरे रंध्रों से बनी होती है, प्रायः आंशिक रूप से वायु और आंशिक रूप से जल से। मृदा में ठोस कणों के विन्यास के अनुसार उसकी संरचना निर्धारित होती है। असंबद्ध और संबद्ध मृदा की संरचनाएँ एक-दूसरे से मूलतः भिन्न होती हैं।
असंबद्ध मृदा की संरचना
असंबद्ध मिट्टी की संरचना गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में बनती है। इस मिट्टी के ठोस कण बड़े होते हैं और नीचे गिरते हैं, गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव से जम जाते हैं, जबकि ऐसे कणों के बीच अंतर-अणु आकर्षण बल या तो होते नहीं हैं या नगण्य होते हैं और गुरुत्वाकर्षण द्वारा परास्त हो जाते हैं। इसी कारण असंबद्ध मिट्टी में ठोस कण एक-दूसरे के बगल में व्यवस्थित हो जाते हैं और जुड़े हुए कणों के बीच की खाली जगह को भरते हैं (आकृति 1_a_). यदि असंबद्ध मिट्टी के कण लगभग गोलाकार और समान आकार के हों, जैसा कि एकसमान संरचना वाली रेत के मामले में हो सकता है, तो संरचना सबसे सघन (आकृति 1_b_) या सबसे विरल (आकृति 1_c_) हो सकती है, जो मिट्टी में ठोस कणों के विन्यास पर निर्भर करता है। सबसे सघन संरचना असंबद्ध मिट्टी की अधिकतम सघनता की संभावना के अनुरूप होती है और उसकी रिक्तता nmin=26% होती है। सबसे विरल संरचना असंबद्ध मिट्टी की न्यूनतम संभावित सघनता के अनुरूप होती है और उसकी रिक्तता nmax=48% होती है। उदाहरण के लिए, टीलों की ढीली रेत की n=47% होती है।
चित्र 1 असंयोजित मृदा की संरचना
यदि असंयोजित मृदा में कणों के आकार अलग-अलग हों, ताकि सूक्ष्म कण बड़े कणों के बीच की रिक्तियाँ भर दें (आकृति 2), तो मृदा की रंध्रता काफी कम होती है (n=20% और उससे कम)।
आकृति 2. असंबद्ध मिट्टी की विभिन्न दानेदारता की संरचना
संयोजित मृदा की संरचना
बंधित मिट्टी में संरचना असंयोजित मिट्टी से भिन्न होती है। बंधित मिट्टी में संसंजन बल उत्पन्न होते हैं, जो सूक्ष्म कणों के गुरुत्वाकर्षण बल से अधिक होते हैं और उन्हें संपर्क सतहों पर चिपका देते हैं। इसी कारण ये कण क्रम से नीचे नहीं गिरते, बल्कि एक-दूसरे के ऊपर और एक-दूसरे के पास चिपके रहते हैं (चित्र 3_a_), इस प्रकार शृंखलाबद्ध-जालिकीय संरचना (चित्र 3_b_), परतदार (चित्र 3_c_) आदि बनती है, जिन्हें उच्च-क्रम की संरचनाएँ कहा जाता है। ऐसी संरचनाओं में उच्च रंध्रता होती है, जो कुल द्रव्यमान के 60-80% तक जा सकती है, जो असंयोजित मिट्टी में नहीं हो सकती।
चित्र 3. बँधी हुई मृदा की संरचना
छिद्रता और छिद्रता गुणांक
मृदा की छिद्रता को छिद्रों के आयतन और मृदा के कुल आयतन के अनुपात से परिभाषित किया जाता है (चित्र 4).
चित्र 4. मिट्टी की छिद्रता और छिद्रता गुणांक
यदि हम को चिह्नित करें
- Vp = मिट्टी में रंध्रों का आयतन
- Vm = ठोस कणों का आयतन
- V = मिट्टी का कुल आयतन,
परिभाषा के अनुसार मिट्टी की छिद्रता n है
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
अर्थात् मिट्टी की कुल मात्रा के % में
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
मिट्टी का रिक्तता गुणांक रिक्तियों के आयतन और ठोस कणों के आयतन के अनुपात से परिभाषित किया जाता है:
e = VP / Vm.
छिद्रता n के सूत्र से हमारे पास है:
nVP + nVm = VP, जिससे Vm = VP(1-n) / n.
इस मान को e के सूत्र में रखने पर हमें प्राप्त होता है
e = n / (1-n).
इस समीकरण से हमें प्राप्त होता है
e - ne = n; n = e / (1 + e).
छिद्रता गुणांक मिट्टी के घनत्व को दर्शाता है। यदि गुणांक e अधिक है, तो मिट्टी का घनत्व कम होता है और इसके विपरीत। यदि कोई संपीड्य मिट्टी भार के अधीन बैठती है, तो बैठने से पहले और बाद की छिद्रता गुणांक की सहायता से बैठने का परिमाण Δ_h_ निर्धारित किया जा सकता है।
आइए h मोटाई की संपीड्य मिट्टी की एक परत पर विचार करें (चित्र 5_a_). यदि इस परत पर भार लगाया जाए, तो यह Δ_h ऊँचाई तक बैठ जाएगी, जिससे भार के कारण इसकी मोटाई h1 तक घट जाएगी। अतः
Δ_h_ = h – h1.
चूँकि संपीड्य मिट्टी का धँसाव रंध्रों के कारण होता है, क्योंकि ठोस कण व्यावहारिक रूप से असंपीड्य होते हैं, और यदि मिट्टी के रंध्र आंशिक या पूर्ण रूप से जल से भरे हों तो पानी भी, इसलिए इस धँसाव को योजनात्मक रूप से चित्र 5_b_ में दर्शाया जा सकता है।
चित्र 5. भार के अंतर्गत h मोटाई वाली संपीड्य मिट्टी परत का बैठना Δh
यदि हम h0 से ठोस कणों की बिना रंध्र वाली परत की कल्पित ऊँचाई, जिसे संशोधित ऊँचाई कहा जाता है, निरूपित करें, तो हम धँसाव Δ_h_ को संशोधित ऊँचाई h0 के संबंध में निम्न संबंध द्वारा व्यक्त कर सकते हैं:
यदि हम ऐसे मिट्टी-स्तर पर विचार करें जिसकी चौड़ाई और लंबाई इकाई के बराबर हों, तो ऊँचाइयाँ h, h1 और h0 आयतन को दर्शाती हैं, अतः
जहाँ e सघनता-रंध्रता गुणांक प्रारंभ में और e1 बैठने के बाद है। उपर्युक्त से बैठना प्राप्त होता है
Δ_h_ = h0 (e-e1).
यदि हम घटित ऊँचाई h0 के मान को बदल दें, तो अवसादन को अवसादन से पहले परत की ऊँचाई h के सापेक्ष व्यक्त किया जा सकता है:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
क्योंकि n = VP / V = VP / h_, इसलिए VP = nh.
इससे प्राप्त होता है
मिट्टी की विभिन्न किस्मों के लिए छिद्रता n और छिद्रता गुणांक e के निम्न औसत मान होते हैं:
मिट्टी की आर्द्रता
मृदा में जल के प्रकार
मिट्टी में जल ठोस कणों के बीच के छिद्रों में जल के रूप में दिखाई देता है, जिसे तथाकथित छिद्र जल कहा जाता है, फिर ठोस कणों पर अधिशोषित जल के रूप में, और संरचनात्मक जल के रूप में।
छिद्रजल मुक्त जल से बना होता है, जो ठोस कणों के बीच होता है और जिसकी गति Darcy के नियम के अनुसार होती है; फिर गुरुत्वीय जल से, जो गुरुत्व के प्रभाव से ऊपर से नीचे सभी दिशाओं में चलता है, लेकिन जिसकी गति Darcy के नियम के अनुसार नहीं होती; केशिकीय जल से, जो केशिकीय बलों के प्रभाव से चलता है; और पृष्ठतनाव जल से, जो मिट्टी के ठोस कणों के कोनों में पृष्ठतनाव के कारण बना रहता है और जिसे कोणीय छिद्रजल भी कहा जाता है। यह सारा जल 110oC तापमान पर मिट्टी को सुखाकर पूरी तरह हटाया जा सकता है।
अधिशोषित जल वह है जो ठोस कणों को आवृत करता है, जिनसे वह आणविक बलों द्वारा बंधा होता है। इसे तथाकथित जल-फिल्म कहा जाता है, जिसकी मोटाई 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, मिलिमाइक्रॉन) के बीच होती है। बड़े कणों पर अधिशोषित जल का प्रभाव नगण्य होता है; किंतु जैसे-जैसे कण छोटे होते हैं, इसका प्रभाव बढ़ता जाता है, क्योंकि कणों का कुल पृष्ठीय क्षेत्र बढ़ता है और इस प्रकार मृदा की इकाई आयतन में अधिशोषित जल का ठोस कणों के साथ अनुपात भी बढ़ता है। इस जल को केवल आंशिक रूप से ही 110oC पर सुखाकर हटाया जा सकता है।
संरचनात्मक जल वह है जो मिट्टी के ठोस कणों के खनिजों के क्रिस्टलों में रासायनिक रूप से संयुक्त रहता है। यह जल बहुत कम मात्रा में होता है और मिट्टी को सुखाकर इसे हटाया नहीं जा सकता। इसलिए इस जल को ठोस कण का अभिन्न भाग माना जा सकता है।
मिट्टी में जल की मात्रा
परिभाषा के अनुसार, मिट्टी में जल की मात्रा या मृदा आर्द्रता मिट्टी में विद्यमान जल के भार और उसके ठोस अवयवों के भार का अनुपात है। मिट्टी में जल की मात्रा के अनुसार तीन स्थितियाँ भेद की जाती हैं: पूर्णतः जल-संतृप्त मिट्टी, आंशिक रूप से जल-संतृप्त मिट्टी और पूर्णतः शुष्क मिट्टी।
जल से पूर्णतः संतृप्त मृदा
यदि हम n से मिट्टी की छिद्रता, γs से सभी कणों का आयतन-भार, γw से जल का आयतन-भार निरूपित करें, तो संतृप्त मिट्टी की नमी wZ को निम्नलिखित समीकरण से व्यक्त किया जा सकता है
आंशिक रूप से जल-संतृप्त भूमि
यदि हम Ww से मृदा में निहित जल का भार और Wd से ठोस कणों का भार, अर्थात् मृदा का शुष्क भार, सूचित करें, तो मृदा की नमी w
w = Ww / Wd , अर्थात् मिट्टी के शुष्क भार के प्रतिशत में: w = 100 Ww / Wd.
इस मामले में मृदा आर्द्रता को आर्द्रता की डिग्री Sr के रूप में व्यक्त किया जा सकता है, जो मिट्टी में जल के वास्तविक भार और उसी मिट्टी में जल के उस भार का अनुपात है जो तब होता यदि सभी रिक्त स्थान जल से भरे होते, अर्थात् संतृप्त मिट्टी के जल के भार के सापेक्ष:
अर्थात् _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
आर्द्रता की डिग्री के लिए सीमा मान इस प्रकार हैं:
- पूर्णतः शुष्क मृदा के लिए w = 0; Sr = 0
- पूर्णतः संतृप्त मृदा के लिए w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
आकृति 6. आंशिक रूप से जल-संतृप्त मिट्टी का नमूना
संतृप्ति की डिग्री (जिसे कभी-कभी संतृप्तता या नमी की डिग्री भी कहा जाता है) जल से भरे रंध्रों के आयतन और कुल रंध्र-आयतन के अनुपात के रूप में भी व्यक्त की जाती है (चित्र 6):
Sr = V2 / V1
जहाँ V2 जल से भरे छिद्रों का आयतन है, V1 जल, वायु और गैसों से भरे छिद्रों का कुल आयतन है। यदि w शुष्क मृदा भार Wd, के प्रतिशत में मृदा की नमी है, तो हमारे पास
V2 * γW = w Wd, जिससे V2 = w Wd / γw.
दूसरी ओर, हमारे पास है कि V1 = V – Vd, और चूँकि Vd * γs = Wd, इसलिए
Vd = Wd / γs और V1 = V – Wd / γs.
अतः, मृदा की संतृप्ति की डिग्री Sr होगी
अर्थात्, मिट्टी के शुष्क भार के प्रतिशत के रूप में
भूमि पूरी तरह सूखी
इस मामले में w = 0. सारा रंध्र जल निकाल दिया गया है, जबकि अवशोषित जल केवल आंशिक रूप से हटाया गया है, अर्थात जल-फिल्म अभी भी मौजूद है, लेकिन उसकी मोटाई कम हो गई है।