Effects of rock fragments on water movement and solute transport in a Loess Plateau soil

Calcium carbonate concretions are present in the soil of the Loess Plateau as a result of pedogenesis. The presence of these small rock fragments can have a great impact on soil bulk density, structure and water storage properties, as well as on soil water movement and solute transport processes. We studied the effects of different gravimetric rock fragment contents in a soil (Rw) (0, 10, 20, 30, 40, 50, and 60%) on infiltration, saturated hydraulic conductivity (Ks) and solute transport. Both infiltration rates and the saturated hydraulic conductivity initially decreased with increasing rock fragment content to minimum values for Rw = 40%, and then increased. The Peck–Watson and Bouwer–Rice equations predicted Ks for low rock fragment contents but failed to forecast the observed trends. Cumulative infiltration over time was described well by a power function. Solute transport processes, determined using CaCl2 as a tracer, were accurately described by both the convection–dispersion equation (CDE) and the two-region model (T-R) although the T-R model fitted the experimental data a little better than the CDE, which is possibly more convenient to use. When Rw was about 40% solute transport parameters indicated that relatively more advection occurred in this mixture where immobile regions occupied the greatest proportion of the columns.

RésuméOn observe la présence de concrétions carbonatées d’origine pédogénétique dans les sols de Plateau Loessique chinois. La présence de ces petits fragments de roche peut avoir des effets importants sur la densité apparente du sol, sa structure et ses propriétés de stockage de l’eau, ainsi que sur les mécanismes de transfert de l’eau et des solutés. Nous avons étudié l’influence de proportions pondérales Rw variables de fragments de roche dans un sol (0, 10 20, 30, 40, 50, et 60 %) sur l’infiltration, la conductivité hydraulique à saturation Ks et le transport de solutés. Le taux d’infiltration et la conductivité hydraulique à saturation décroissent initialement avec la croissance de la teneur en fragments, jusqu’à des valeurs minima obtenues pour un taux de 40 %, puis recroissent. Les équations de Peck-Watson et Bouwer-Rice donnent une bonne prédiction de Ks pour les teneurs faibles en fragments de roche, mais sont incapables de prédire les tendances observées. L’infiltration cumulée est bien décrite par une fonction puissance. Les mécanismes de transport de solutés, étudiés par des traçages avec du CaCl2, sont bien reproduits par l’équation de convection–dispsersion (CDE) ou par le modèle à deux régions (TR) ; ce modèle TR cale un peu mieux les données expérimentales que le modèle CDE, mais ce dernier est cependant plus facile à utiliser. Pour une teneur en fragments de roche Rw de l’ordre de 40 %, les paramètres de transport de soluté calés indiquent que l’advection est relativement plus importante dans le mélange, quand les régions à eau immobile occupent la proportion la plus grande de la colonne d’essai.