Compatibility of methods used for soil water repellency determination for organic and organo-mineral soils

Guillaume Debaene , Barbara Kalisz , Andrzej Łachacz , Wojciech Matysiak , Ewa Papierowska , Jan Szatyłowicz , Emilia Urbanek

Abstract

Soil water repellency (i.e. hydrophobicity, SWR) is a common soil phenomenon inhibiting water infiltration and water movement in the soil. SWR has significant hydrological implications for enhanced overland and preferential water flows and erosion. Several methods are used to determine the degree of SWR. The methods are typically chosen based on their suitability for field or laboratory work, as well as time and resources availability. Unfortunately, each measurement method has a different analytical approach, hence the direct comparison between results from different methods is not possible. A faster and statistically sound technique for converting results is needed, especially to convert results from field applicable techniques to contact angle (CA) value, which is a valuable parameter for soil hydraulic modelling. The aim of this paper is to define a reliable compliance between methods defined on a statistical approach basis (weighted kappa coefficient κw), which will allow to determine the CA value based on straightforward tests, such as water drop penetration time (WDPT) and molarity of an ethanol droplet (MED). For this purpose, we measured SWR in 106 organic and organo-mineral soils collected from different locations in North East Poland using four common methods. The sessile drop and Wilhelmy plate laboratory-based methods were used to determine the CA between water and the solid phase. The other two tests are common field methods for assessing SWR by measuring water infiltration time (WDPT) and the highest surface tension of ethanol-water droplet infiltration into the soil (MED). The results revealed that the weighted kappa coefficient, when assumed as a measurement of an observer′s compliance, indicates a strong relationship (κw = 0.84) between the average CA (CAav), measured with the sessile drop method, and the median value of the WDPT (WDPTme). Based on the results, we can conclude that hydrophilic samples with WDPT < 5 s have the average CA values below 40°, while extremely hydrophobic samples with WDPT above 3600 s have CA values higher than 130°. This is a proof that these tests can be a good estimator of CA value for SWR determination in the laboratory or the field.
Author Guillaume Debaene
Guillaume Debaene,,
-
, Barbara Kalisz
Barbara Kalisz,,
-
, Andrzej Łachacz
Andrzej Łachacz,,
-
, Wojciech Matysiak (FMIS / DPMS)
Wojciech Matysiak,,
- Department of Probability and Mathematical Statistics
, Ewa Papierowska
Ewa Papierowska,,
-
, Jan Szatyłowicz
Jan Szatyłowicz,,
-
, Emilia Urbanek
Emilia Urbanek,,
-
Journal seriesGeoderma, ISSN 0016-7061, (A 35 pkt)
Issue year2018
Vol314
Pages221-231
Publication size in sheets0.5
Keywords in PolishHydrofobowość gleb, zgodność metod, metoda zgodności między obserwatorami, ważony współczynnik kappa, czas wsiąkania kropli wody (WDPT), test molarności etanolu (MED), kąt zwilżania
Keywords in EnglishSoil hydrophobicity, Compatibility assessment, Agreement between observers, Weighted kappa coefficient, MED, WDPT, contact angle
Abstract in PolishRepelencja wodna (hydrofobowości) gleb, jest powszechnie występującym zjawiskiem, które powoduje ograniczenie zdolności infiltracyjnych gleb i wpływa na proces ruchu wody glebowej. Zjawisko niezwilżalności gleb wpływa w sposób istotny na zwiększenie spływu powierzchniowego, wywołuje przepływ preferencyjny wody w glebie oraz zjawisko erozji wodnej gleby. Istnieje szereg metod służących do oceny hydrofobowości gleb. Wybór metody zwykle opiera się na jej przydatności do pracy w warunkach terenowych lub laboratoryjnych, jak również jej pracochłonności i czasochłonności. Każda z proponowanych w literaturze metod pomiaru zwilżalności gleb ma inne podejście analityczne, dlatego niemożliwe jest bezpośrednie porównywanie wyników, pochodzących z różnych metod. Konieczna jest szybsza i statystycznie poprawna technika konwersji wyników, szczególnie w celu przekształcania wyników pochodzących z technik stosowanych w warunkach polowych, na wartości parametrów trudno mierzalnych, jakim są wartości kąta zwilżania (CA), który jest wymaganym parametrem w modelach opisujących właściwości hydrauliczne glebach. Celem tego artykułu jest określenie zgodności metod oceny zwilżalności gleb wykorzystując metody statystyczne (ważony współczynnik kappa κw), które pozwoli oszacować wartość CA na podstawie prostych testów, takich jak czas wsiąkania kropli wody (WDPT) i molarność kropli etanolu (MED). W tym celu pomierzono zwilżalność 106 próbek gleb organicznych i mineralno-organicznych, pobranych z różnych lokalizacji w północno-wschodniej Polsce. Badania zwilżalności gleb przeprowadzono za pomocą czterech metod pomiarowych. Do pomiaru kąta zwilżania pomiędzy fazą stałą a wodą, wybrano metodę osadzonej kropli oraz metodę płytki Wilhelmy’ego. Pozostałe dwie metody są powszechnie stosowanymi metodami polowymi do oceny zwilżalności tj. pomiar czasu wsiąkania kropli wody (WDPT) i metoda polegająca na poszukiwaniu najwyższego napięcia powierzchniowego kropli wodnego roztworu etanolu infiltrującego w glebę w określonym czasie (MED). Wyniki badań wykazały, że ważony współczynnik kappa, przyjmowany jako miara zgodności obserwatora, wskazuje na silną zależność (κw = 0,84) między średnim kątem zwilżania mierzonym metodą osadzonej kropli, a wartością mediany czasu wsiąkania kropli wody. Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że próbki hydrofilowe o czasie wsiąkania mniejszym niż 5 s mają średnie wartości kąta zwilżania poniżej 40°, podczas gdy próbki o ekstremalnie hydrofobowych właściwościach z czasem wsiąkania powyżej 3600 s mają wartości kąta zwilżania wyższe niż 130°. Badania dowiodły, że metody WDPT i MED mogą być dobrym estymatorem wartości kąta zwilżania dla oznaczania zwilżalności zarówno w warunkach laboratoryjnych jak i polowych.
DOIDOI:10.1016/j.geoderma.2017.11.012
URL https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001670611730753X
Languageen angielski
Score (nominal)45
ScoreMinisterial score = 35.0, 12-07-2018, ArticleFromJournal
Ministerial score (2013-2016) = 45.0, 12-07-2018, ArticleFromJournal
Publication indicators WoS Impact Factor: 2016 = 4.036 (2) - 2016=4.163 (5)
Citation count*
Cite
Share Share

Get link to the record


* presented citation count is obtained through Internet information analysis and it is close to the number calculated by the Publish or Perish system.
Back