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WARUM DAS WASSERPOTENZIAL MESSEN?

Ein Ökologe installierte ein umfangreiches Netzwerk von Bodenfeuchtesensoren, um die Auswirkungen der Hangausrichtung auf das verfügbare Wasser der Pflanzen zu untersuchen. Er sammelte Unmengen von Daten über die Bodenfeuchtigkeit, war aber letztendlich frustriert, weil er nicht sagen konnte, wie viel Wasser für die Pflanzen verfügbar war.

Er ist mit seiner Frustration nicht allein. Genaue, preiswerte Bodenfeuchtesensoren haben die Bodenfeuchtigkeit zu Recht zu einem beliebten Messinstrument gemacht, aber wie viele Menschen festgestellt haben, macht ein guter Hammer nicht aus jedem Bodenwasserproblem einen Nagel. Der Wassergehalt kann nur anzeigen, wie viel Wasser vorhanden ist. Die hydraulische Leitfähigkeit zeigt, wie schnell sich Wasser bewegen kann. Das Wasserpotenzial hingegen zeigt an, ob Wasser für Pflanzen verfügbar ist, ob es sich bewegen wird und wohin es fließt.

Intensive Variablen ändern sich nicht mit der Größe oder Situation

Um das Wasserpotenzial zu verstehen und zu begreifen, warum Sie es brauchen, ist es notwendig, extensive und intensive Eigenschaften zu erklären. Die meisten Menschen betrachten die Bodenfeuchtigkeit nur im Hinblick auf eine Variable: den Wassergehalt des Bodens. Es sind jedoch zwei Arten von Variablen erforderlich, um den Zustand von Materie oder Energie in der Umwelt zu beschreiben. Eine extensive Variable beschreibt das Ausmaß (oder die Menge) von Materie oder Energie. Und die intensive Variable beschreibt die Intensität (oder Qualität) der Materie oder Energie.

Tabelle 1. Beispiele für extensive und intensive Variablen

Der Wassergehalt des Bodens ist eine umfassende Variable. Er beschreibt, wie viel Wasser in der Umgebung vorhanden ist. Das Wasserpotenzial des Bodens ist eine intensive Variable. Es beschreibt die Intensität oder Qualität (und in den meisten Fällen die Verfügbarkeit) von Wasser in der Umwelt. Um zu verstehen, wie das funktioniert, denken Sie bei extensiven und intensiven Variablen an die Wärme. Der Wärmeinhalt (eine extensive Variable) beschreibt, wie viel Wärme in einem Raum gespeichert ist. Die Temperatur (eine intensive Variable) beschreibt die Qualität (Komfortniveau) oder wie Ihr Körper die Wärme in diesem Raum wahrnimmt.

Abbildung 1 zeigt ein großes Schiff in der Arktis und einen heißen Stab, der gerade in einem Feuer erhitzt wurde. Welcher dieser beiden Gegenstände hat einen höheren Wärmeinhalt? Interessanterweise hat das Schiff in der Arktis einen höheren Wärmeinhalt als der heiße Stab, aber es ist der Stab, der eine höhere Temperatur hat. Wenn wir den heißen Stab mit dem Schiff in Kontakt bringen, welche Variable bestimmt, wie die Energie fließt? Die intensive Variable, die Temperatur, bestimmt, wie die Energie fließt. Wärme bewegt sich immer von einer hohen Temperatur zu einer niedrigen Temperatur.

mehr erfahren über intensive vs. extensive Variablen.

Der Wassergehalt sagt nicht aus, wie sich das Wasser bewegt

Ähnlich wie der Wärmegehalt ist der Wassergehalt eine Menge. Er ist eine umfassende Variable. Er ändert sich je nach Größe und Situation. Betrachten Sie die folgenden Paradoxa:

• Ein Boden mit einem relativ niedrigen volumetrischen Wassergehalt kann viel pflanzenverfügbares Wasser enthalten, während ein Boden mit hohem Wassergehalt fast kein Wasser enthalten kann.
• Die Schwerkraft zieht das Wasser durch das Profil nach unten, aber das Wasser bewegt sich von einem Grundwasserspiegel nach oben in den Boden
• Zwei nebeneinander liegende Flecken Boden im Gleichgewicht können einen deutlich unterschiedlichen Wassergehalt aufweisen

In diesen und vielen anderen Fällen sind die Daten zum Wassergehalt verwirrend, weil sie nicht vorhersagen, wie sich das Wasser bewegt. Das Wasserpotenzial misst den Energiezustand des Wassers und erklärt so die Realitäten der Wasserbewegung, die sich sonst der Intuition entziehen. So wie die Temperatur das Wohlbefinden eines Menschen bestimmt, bestimmt das Wasserpotenzial das Wohlbefinden einer Pflanze. Wenn das Wasserpotenzial bekannt ist, kann man vorhersagen, ob Pflanzen in jeder Umgebung gut wachsen oder gestresst werden.

Wie das Wasserpotenzial den Komfort einer Pflanze bestimmt

Der Wassergehalt ist kein Indikator für das Wohlbefinden der Pflanzen, denn Erde, Lehm, Sand, Blumenerde und andere Medien speichern das Wasser unterschiedlich. Stellen Sie sich einen Sand mit 30% Wassergehalt vor. Aufgrund seiner geringen Oberfläche ist der Sand für ein optimales Pflanzenwachstum zu nass, die Wurzeln werden nicht ausreichend belüftet und die Erde droht zu übersättigen. Betrachten Sie nun einen feinkörnigen Lehm mit demselben Wassergehalt von 30%. Der Lehm scheint nur feucht zu sein und liegt weit unter dem optimalen "Komfort" für eine Pflanze, da die Oberfläche des Lehms das Wasser bindet und es für die Pflanze weniger verfügbar macht.

Die Messung des Wasserpotenzials gibt einen klaren Hinweis auf das verfügbare Wasser in der Pflanze, und im Gegensatz zum Wassergehalt gibt es eine einfache Referenzskala -der optimale Wert für Pflanzenreicht von etwa -2 bis 5 kPa, was auf der sehr feuchten Seite liegt, bis etwa -100 kPa, dem trockeneren Ende des optimalen Wertes. Darunter haben die Pflanzen ein Defizit, und ab -1000 kPa beginnen sie zu leiden. Je nach Pflanze führen Wasserpotenziale unter -1000 bis -2000 kPa zu dauerhaftem Welken. Tabelle 1 veranschaulicht die einfache Referenzskala für einige Arten von Pflanzen. Pflanzen geraten nicht in Stress und bringen mehr Ertrag, wenn sie innerhalb dieses Komfortbereichs für das Wasserpotenzial gehalten werden.

Die meisten Anwendungen erfordern sowohl das Wasserpotenzial als auch den Wassergehalt

Obwohl das Wasserpotenzial ein besserer Indikator für das verfügbare Wasser in der Pflanze ist als der Wassergehalt, ist es in den meisten Situationen sinnvoll, sowohl Wasserpotenzialsensoren als auch Bodenfeuchtesensoren zu verwenden.

Die Intensitätsmessung des Wasserpotenzials lässt sich nicht direkt in die Menge des gespeicherten oder benötigten Wassers übersetzen. Informationen über den Wassergehalt werden auch für Anwendungen wie das Bewässerungsmanagement und Wasserbilanzstudien benötigt. Für weitere Informationen lesen Sie bitte: "Wann bewässert werden soll - Doppelte Messungen lösen das Rätsel".

Uhr Wasserpotenzial 101

In diesem Webinar unterscheidet Dr. Doug Cobos das Wasserpotenzial vom Wassergehalt, erörtert die Theorie, die Anwendung und die wichtigsten Komponenten des Wasserpotenzials sowie die Bedeutung des Wasserpotenzials für Forscher und Bewässerungsmanagement.

EINE DEFINITION DES WASSERPOTENZIALS

Das Wasserpotenzial ist die Energie, die pro Wassermenge erforderlich ist, um eine infinitesimale Wassermenge von der Probe zu einem Referenzpool aus reinem, freiem Wasser zu transportieren. Um zu verstehen, was das bedeutet, vergleichen Sie Gegenüberstellung das Wasser in einer Bodenprobe mit dem Wasser in einem Trinkglas. Das Wasser im Glas ist relativ frei und verfügbar; das Wasser im Boden ist an Oberflächen gebunden, die durch gelöste Stoffe verdünnt sind und unter Druck oder Spannung stehen. In der Tat hat das Bodenwasser einen anderen Energiezustand als das "freie" Wasser. Auf das freie Wasser kann ohne Energiezufuhr zugegriffen werden. Das Bodenwasser kann nur unter Aufwendung von Energie entnommen werden. Das Bodenwasserpotenzial drückt aus, wie viel Energie Sie aufwenden müssten, um das Wasser aus der Bodenprobe zu ziehen.

Das Wasserpotenzial des Bodens ist eine differentielle Eigenschaft. Damit die Messung aussagekräftig ist, muss eine Referenz angegeben werden. Die übliche Referenz ist reines, freies Wasser an der Bodenoberfläche. Das Wasserpotenzial dieser Referenz ist Null. Das Wasserpotenzial in der Umwelt ist fast immer kleiner als Null, weil man Energie aufwenden muss, um das Wasser herauszubekommen.

Das Wasserpotenzial beantwortet zwei wichtige Fragen

1. Wasserbewegung

Wasser fließt immer von einem hohen Potential zu einem niedrigen Potential. Dies ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik - Energie fließt entlang des Gradienten der intensiven Variablen. Das Wasser bewegt sich von einem Ort mit höherer Energie zu einem Ort mit niedrigerer Energie, bis die Orte ein Gleichgewicht erreichen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Wenn das Wasserpotenzial eines Bodens beispielsweise -50 kPa beträgt, würde sich das Wasser in Richtung der negativeren -100 kPa bewegen, um stabiler zu werden.

2. Verfügbarkeit von Wasser für Pflanzen

Flüssiges Wasser fließt vom Boden zu und durch die Wurzeln, durch das Xylem der Pflanzen, zu den Blättern und verdunstet schließlich in den substomatalen Hohlräumen des Blattes. Die treibende Kraft für diesen Fluss ist ein Wasserpotentialgefälle. Damit Wasser fließen kann, muss das Wasserpotenzial der Blätter also niedriger sein als das des Bodens. In Abbildung 4 liegt der Boden bei -0,3 MPa und die Wurzeln sind mit -0,5 MPa noch etwas negativer. Das bedeutet, dass die Wurzeln Wasser aus dem Boden anziehen. Dann fließt das Wasser durch das Xylem nach oben und durch die Blätter nach außen. Und die Atmosphäre mit -100 MPa ist die Ursache für dieses Gefälle.

Bewässerer und Wissenschaftler verwenden Wasserpotenzialsensoren in Verbindung mit Wassergehaltssensoren, um die Wasserverfügbarkeit der Pflanzen zu verstehen. In Abbildung 5 können Sie sehen, wo der Wassergehalt abnimmt und bei welchem Prozentsatz die Pflanzen anfangen, Stress zu empfinden. Es ist auch möglich zu erkennen, wann der Boden zu viel Wasser hat: Der Wassergehalt liegt über dem Wert, bei dem die Wasserpotenzialsensoren beginnen, Pflanzenstress zu erkennen. Anhand dieser Informationen können die Forscher den optimalen Bereich für Pflanzen bei 12% bis 17% volumetrischem Wassergehalt ermitteln. Alles, was unter oder über diesem Bereich liegt, ist zu wenig oder zu viel Wasser.

Unter mehr erfahren erfahren Sie, wie das Wasserpotenzial des Bodens die Wasserverfügbarkeit der Pflanzen anzeigt, und lesen Sie "Wann bewässern? Duale Messungen lösen das Rätsel".

Namen, Bereiche und Einheiten des Wasserpotenzials

Abbildung 6 veranschaulicht, dass es verschiedene Instrumente zur Messung des Wasserpotenzials gibt, die unterschiedliche Bereiche messen. Schauen Sie sich das Video an, um zu sehen, wie Sie die Instrumente von METER LABROS kombinieren können, um den gesamten Bereich des Wasserpotenzials im Boden zu messen. mehr erfahren darüber, wie man das Wasserpotenzial misst und welche Instrumente für welchen Zweck verwendet werden .

Das Wasserpotenzial wird häufig als Wasserspannung, Bodensog und Porenwasserdruck bezeichnet. In der Regel verwenden wir zur Beschreibung des Bodenwasserpotenzials Druckeinheiten wie Megapascal (MPa), Kilopascal (kPa), Bar und Meter (_mH2O), Zentimeter (_cmH2O) oder Millimeter Wasser (_mmH2O).

Das Wasserpotenzial wird eigentlich in Energie pro Masseneinheit gemessen. Die offiziellen Einheiten sollten also Joule pro Kilogramm sein, aber wenn Sie die Dichte von Wasser berücksichtigen, werden die Einheiten zu Kilopascal, weshalb wir es normalerweise mit Druckeinheiten beschreiben.

Komponenten des Wasserpotenzials

Das gesamte Wasserpotenzial ist die Summe von vier verschiedenen Komponenten.

• Matrixpotential: Die Bindung von Wasser an Oberflächen
• Osmotisches Potential: Bindung an gelöste Stoffe im Wasser
• Gravitationspotential: Die Position von Wasser in einem Gravitationsfeld
• Druckpotenzial: Hydrostatischer oder pneumatischer Druck auf das Wasser

Wie Sie das Wasserpotenzial berechnen

Das Wasserpotenzial des Bodens ist die Summe von vier verschiedenen Komponenten: Schwerkraftpotenzial + Matrixpotential + Druckpotenzial + osmotisches Potenzial (Gleichung 1).

Das Matrixpotential ist die wichtigste Komponente des Bodens, da es sich auf das Wasser bezieht, das an der Bodenoberfläche haftet. In Abbildung 7 ist das Matrixpotenzial für den Wasserfilm verantwortlich, der an den Bodenpartikeln haftet. Wenn das Wasser aus dem Boden abfließt, werden die luftgefüllten Porenräume größer und das Wasser wird enger an die Bodenpartikel gebunden, da das Matrixpotential sinkt.

Matura-Potenzial

Das Matrixpotential entsteht, weil Wasser durch Wasserstoffbrückenbindungen und van der Waals-Kräfte von den meisten Oberflächen angezogen wird. Der Boden besteht aus kleinen Partikeln, die viele Oberflächen bieten, die Wasser binden können. Diese Bindung ist stark von der Bodenart abhängig. Ein sandiger Boden beispielsweise hat große Partikel, die weniger Oberflächenbindungsstellen bieten, während ein schluffiger Lehm kleinere Partikel und mehr Oberflächenbindungsstellen hat.

Schauen Sie sich das folgende Video an, um sich ein Bild von der Wirkung des Matrixpotentials zu machen.

Die folgende Abbildung, die Kurven der Feuchtigkeitsabgabe für drei verschiedene Bodentypen zeigt, veranschaulicht den Einfluss der Oberfläche. Sand, der 10 % Wasser enthält, hat ein hohes Matrixpotential und das Wasser ist für Organismen und Pflanzen leicht verfügbar. Schlufflehm, der 10 % Wasser enthält, hat ein viel niedrigeres Matrixpotenzial und das Wasser ist deutlich weniger verfügbar.

Das Matrixpotential ist immer negativ oder Null und ist die wichtigste Komponente des Bodenwasserpotentials unter ungesättigten Bedingungen.

mehr erfahren über Feuchtigkeitsabgabekurven und die Beziehung zwischen Bodenwasserpotenzial und Bodenwassergehalt .

Tensiometer und der TEROS 21 sind beides Bodenwasserpotentialsensoren, die das Matrixpotential im Feld messen. Um herauszufinden, welcher Feldwasserpotentialsensor für Ihre Anwendung geeignet ist, lesen Sie "Welcher Bodensensor ist der richtige für Sie?"

Osmotisches Potential

Das osmotische Potenzial beschreibt die Verdünnung und Bindung von Wasser durch gelöste Stoffe, die im Wasser aufgelöst sind. Auch dieses Potenzial ist immer negativ.

Das osmotische Potenzial wirkt sich nur dann auf das System aus, wenn es eine halbdurchlässige Barriere gibt, die den Durchgang von gelösten Stoffen blockiert. Dies ist in der Natur tatsächlich recht häufig der Fall. Pflanzenwurzeln lassen zum Beispiel Wasser durch, blockieren aber die meisten gelösten Stoffe. Auch Zellmembranen bilden eine halbdurchlässige Barriere. Ein weniger offensichtliches Beispiel ist die Luft-Wasser-Grenzfläche, an der Wasser in der Dampfphase in die Luft übergehen kann, aber Salze zurückbleiben.

Sie können das osmotische Potenzial anhand der folgenden Gleichung berechnen, wenn Sie die Konzentration der gelösten Stoffe im Wasser kennen

Dabei ist C die Konzentration der gelösten Substanz (mol/kg), ɸ der osmotische Koeffizient (-0,9 bis 1 für die meisten gelösten Substanzen), v die Anzahl der Ionen pro mol (NaCl= 2, _CaCl2 = 3, Saccharose = 1), R die Gaskonstante und T die Kelvin-Temperatur.

Das osmotische Potenzial ist immer negativ oder gleich Null und ist in Pflanzen und einigen salzhaltigen Böden von Bedeutung.

Gravitationspotenzial

Das Gravitationspotenzial entsteht durch die Lage des Wassers in einem Gravitationsfeld. Es kann positiv oder negativ sein, je nachdem, wo Sie sich in Bezug auf die festgelegte Referenz des reinen, freien Wassers an der Bodenoberfläche befinden. Das Schwerkraftpotenzial ist dann

Dabei ist G die Gravitationskonstante (9,8 m ^s-2) und H der vertikale Abstand von der Bezugshöhe zur Bodenoberfläche (die angegebene Höhe).

Druckpotenzial

Das Druckpotenzial ist ein hydrostatischer oder pneumatischer Druck, der auf das Wasser ausgeübt oder an ihm gezogen wird. Es handelt sich um einen eher makroskopischen Effekt, der in einer größeren Region des Systems wirkt.

Es gibt mehrere Beispiele für ein positives Druckpotenzial in der natürlichen Umgebung. Unter der Oberfläche von Grundwasser herrscht zum Beispiel ein positiver Druck. Sie können diesen Druck selbst spüren, wenn Sie in einen See oder Pool hinunterschwimmen. In ähnlicher Weise entsteht eine Druckhöhe oder ein positives Druckpotenzial, wenn Sie sich unterhalb des Grundwasserspiegels bewegen. Der Turgordruck bei Pflanzen und der Blutdruck bei Tieren sind zwei weitere Beispiele für ein positives Druckpotenzial.

Das Druckpotenzial kann berechnet werden aus

Dabei ist P der Druck (_Pa) und_PW die Dichte von Wasser.

Obwohl das Druckpotenzial normalerweise positiv ist, gibt es wichtige Fälle, in denen dies nicht der Fall ist. Einer davon ist bei Pflanzen zu finden, wo ein negatives Druckpotenzial im Xylem Wasser aus dem Boden über die Wurzeln in die Blätter zieht.

Wasserpotenzial und relative Luftfeuchtigkeit

Das Wasserpotenzial und die relative Luftfeuchtigkeit sind durch die Kelvin-Gleichung miteinander verbunden. Wenn Sie Temperatur und Luftfeuchtigkeit kennen, können Sie das Wasserpotenzial mit dieser Gleichung berechnen

Dabei ist Ψ das Wasserpotenzial (MPa), _HR die relative Luftfeuchtigkeit (ohne Einheit), R die universelle Gaskonstante (8,3143 J ^mol-1 K ^-1), _MW die Masse des Wassers (18,02 g/mol) und T die Kelvin-Temperatur.

Was ist das Wasserpotenzial? Zu erinnernde Punkte

Wasserpotenzial:

• Beschreibt den Energiezustand von Wasser in der Umwelt
• Definiert die Verfügbarkeit von Wasser für Organismen

Wichtige Punkte:

• Wasser fließt immer von hohem zu niedrigem Potenzial
• Dies ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik - Energie fließt entlang des Gradienten der intensiven Variablen

Hier finden Sie weitere Antworten auf die Frage 'Was ist das Wasserpotenzial': Zurück zur Hauptseite über das Wasserpotenzial oder Sprechen Sie mit einem Experten über die Verwendung des Wasserpotenzials in Ihrer Anwendung.

Referenzen zum Bodenwasserpotenzial für weitere Studien

Kirkham, Mary Beth. Principles of soil and plant water relations. Academic Press, 2014. Buch-Link

Taylor, Sterling A., und Gaylen L. Ashcroft. Physikalische Edaphologie. Die Physik der bewässerten und unbewässerten Böden. 1972. Link zum Buch

Hillel, Daniel. Grundlagen der Bodenphysik. Academic Press, 2013. Buch-Link

Dane, Jacob H., G. C. Topp, und Gaylon S. Campbell. Methoden der Bodenanalyse Physikalische Methoden. Nr. 631.41 S63/4. 2002.

Wasserpotenzial beobachten 201

Dr. Colin Campbells Webinar "Wasserpotenzial 201: Die Wahl des richtigen Instruments" behandelt die Theorie der Wasserpotentialinstrumente, einschließlich der Herausforderungen bei der Messung des Wasserpotentials und der Auswahl und Verwendung verschiedener Wasserpotentialinstrumente.

WELCHE WASSERPOTENZIAL-METHODE IST DIE RICHTIGE FÜR SIE?

Im Wesentlichen gibt es nur zwei primäre Messmethoden für das Wasserpotenzial- Tensiometerund Dampfdruckmethoden. Tensiometer arbeiten im Nassbereich - spezielleTensiometer, die den Siedepunkt von Wasser verzögern, haben einen Bereich von 0 bis etwa -0,2 MPa. Dampfdruckmethoden arbeiten im trockenen Bereich - von etwa -0,1 MPa bis -300 MPa (0,1 MPa entspricht 99,93% r.F.; -300 MPa entspricht 11%).

In der Vergangenheit haben sich diese Bereiche nicht überschnitten, aber die jüngsten Fortschritte in der Tensiometer- und Temperaturmesstechnik haben das geändert. Jetzt kann ein erfahrener Anwender mit hervorragenden Methoden und der besten Ausrüstung den gesamten Bereich des Wasserpotenzials im Labor messen.

Es gibt jedoch Gründe, sich nach sekundären Messmethoden umzusehen. Dampfdruckmethoden sind an Ort und Stelle nicht brauchbar, und die Genauigkeit des Tensiometers muss mit ständiger, sorgfältiger Wartung bezahlt werden (obwohl es eine selbstfüllende Version des Tensiometers gibt).

Außerdem gibt es traditionelle Methoden wie Gipsblöcke, Druckplatten und Filterpapier, die Sie kennen sollten. In diesem Abschnitt werden die Stärken und Grenzen der einzelnen Methoden kurz erläutert.

Druckplatten

Die Druckplatte wurde in den 1930er Jahren von L.A. Richards eingeführt. Sie misst nicht wirklich das Wasserpotenzial einer Probe. Stattdessen bringt sie die Probe auf ein bestimmtes Wasserpotenzial, indem sie Druck auf die Probe ausübt und das überschüssige Wasser durch eine poröse Keramikplatte abfließen lässt. Wenn sich die Probe im Gleichgewicht befindet, entspricht ihr Wasserpotenzial dem ausgeübten Druck.

Druckplatten werden in der Regel zur Erstellung von Bodenfeuchtigkeitskurven verwendet. Sobald die Bodenproben unter Druck ein bestimmtes Wasserpotenzial erreichen, kann der Forscher die Probe von der Platte nehmen und sie trocknen, um ihren Wassergehalt zu messen. Durch diese Messungen bei verschiedenen Drücken in der Druckplattenapparatur kann eine Bodenfeuchtigkeitskennlinie erstellt werden.

Die Genauigkeit von Druckplatten ist wichtig, denn sie werden oft zur Kalibrierung anderer sekundärer Messmethoden verwendet.

Druckplatten haben Gleichgewichtsstörungen

Um eine genaue Feuchtigkeitsabgabekurve mit einer Druckplatte zu erstellen, müssen Sie sicherstellen, dass die Probe bei dem angegebenen Druck vollständig ins Gleichgewicht gekommen ist. Mehrere Gutachter, darunter Gee et. al (2002), Cresswell et. al (2008) und Bittelli und Flury (2009), haben Probleme mit dieser Annahme festgestellt.

Fehler, insbesondere bei niedrigen Wasserpotenzialen, können durch verstopfte Poren in der Keramik der Druckplatte, Strömungshindernisse in der Probe, Verlust des hydraulischen Kontakts zwischen der Platte und dem Boden aufgrund von Bodenschrumpfung und Wiederaufnahme von Wasser, wenn der Druck auf die Platte nachlässt, verursacht werden. Bei niedrigen Wasserpotenzialen können niedrige hydraulische Leitfähigkeiten dazu führen, dass die Herstellung des Gleichgewichts Wochen oder sogar Monate dauert. Gee et. al. (2002) haben die Wasserpotenziale von Proben gemessen, die 9 Tage lang auf Druckplatten mit 15 bar im Gleichgewicht waren, und festgestellt, dass sie bei -0,5 MPa statt der erwarteten -1,5 MPa lagen. Insbesondere bei der Erstellung einer Feuchtigkeitsfreisetzungskurve zur Schätzung der hydraulischen Leitfähigkeit und zur Bestimmung des pflanzenverfügbaren Wassers können Druckplattenmessungen bei Potenzialen von weniger als -0,1 MPa (-1 bar) erhebliche Fehler verursachen (Bittelli und Flury, 2009).

Darüber hinaus stellen Baker und Frydman (2009) theoretisch fest, dass die Bodenmatrix unter einem Überdruck anders entwässert als unter einem Sog. Sie gehen davon aus, dass sich die Gleichgewichts-Wassergehalte, die durch Absaugen erreicht werden, deutlich von denen unterscheiden, die unter natürlichen Bedingungen auftreten. Anekdotische Hinweise scheinen diese Idee zu bestätigen support , obwohl weitere Tests erforderlich sind. Letztendlich können Druckplatten im Nassbereich (0 bis -0,5 MPa) für einige Anwendungen ausreichend genau sein, aber andere Methoden können eine bessere Genauigkeit bieten, was besonders wichtig sein kann, wenn die Daten für die Modellierung oder Kalibrierung verwendet werden.

Dampfdruck-Methoden

Das WP4C Taupunkt-Hygrometer ist eines der wenigen kommerziell erhältlichen Geräte, die diese Technik verwenden. Wie herkömmliche Thermoelement-Psychrometer bringt das Taupunkt-Hygrometer eine Probe in einer versiegelten Kammer ins Gleichgewicht.

Ein kleiner Spiegel in der Kammer wird gekühlt, bis sich auf ihm gerade Tau bildet. Am Taupunkt misst das WP4C sowohl die Temperatur des Spiegels als auch die der Probe mit einer Genauigkeit von 0,001◦C, um die relative Feuchtigkeit des Dampfes über der Probe zu bestimmen.

Vorteile

Die aktuellste Version dieses Taupunkthygrometers hat eine Genauigkeit von ±1% von -5 bis -300 MPa und ist außerdem relativ einfach zu bedienen. Viele Probentypen können in fünf bis zehn Minuten analysiert werden, obwohl nasse Proben länger brauchen.

Beschränkungen

Bei hohen Wasserpotentialen werden die Temperaturunterschiede zwischen dem Sättigungsdampfdruck und dem Dampfdruck in der Probenkammer verschwindend gering.

Aufgrund der begrenzten Auflösung der Temperaturmessung werden die Dampfdruckmethoden die Tensiometer wahrscheinlich nie ersetzen.

Das Taupunkt-Hygrometer hat einen Messbereich von -0,1 bis -300 MPa, obwohl mit speziellen Techniken auch Messwerte über -0,1 MPa hinaus möglich sind. Tensiometer sind nach wie vor die beste Wahl für Messungen im Bereich von 0 bis -0,1 MPa.

Tensiometer und die Wind/Schindler-Technik

Das HYPROP ist ein einzigartiges Laborgerät, das die Wind/Schindler-Verdunstungsmethode anwendet, um Feuchtigkeitsabgabekurven von Böden mit Wasserpotentialen im Tensiometerbereich zu erstellen.

Hyprop verwendet zwei Präzisions-Mini-Tensiometer zur Messung des Wasserpotenzials auf verschiedenen Ebenen innerhalb einer gesättigten 250 ^cm3 großen Bodenprobe, während die Probe auf einer Laborwaage ruht. Im Laufe der Zeit trocknet die Probe, und das Gerät misst gleichzeitig das sich ändernde Wasserpotenzial und das sich ändernde Probengewicht. Aus den Gewichtsmessungen wird der Feuchtigkeitsgehalt berechnet und die Veränderungen des Wasserpotenzials werden mit den Veränderungen des Feuchtigkeitsgehalts in Beziehung gesetzt.

Die Ergebnisse werden überprüft und die Werte für den Trockenbereich und die Sättigung werden nach einem ausgewählten Modell (d.h. van Genuchten/Mualem, bimodal van Genuchten/Mualem oder Brooks und Corey) berechnet.

Vorteile

Hyprop hat eine hohe Genauigkeit und erstellt eine vollständige Feuchtigkeitsabgabekurve im Nassbereich. Es dauert drei bis fünf Tage, bis die Kurve erstellt ist, aber das Gerät arbeitet unbeaufsichtigt.

Beschränkungen

HypropDie Reichweite der Tensiometer ist durch die Reichweite der Tensiometer begrenzt, obwohl die Mini-Tensiometer aufgrund ihrer Siedeverzugsfunktion für Messungen über -250 kPa (-0,25 MPa) hinaus verwendet wurden.

Unterhalb von -250 kPa kavitieren die Tensiometer. Leistungsstarke Anwender haben die Möglichkeit, der Kurve einen letzten Punkt am Lufteintrittspunkt der Keramik-Tensiometertasse (-880 kPa; -0,88 MPa) hinzuzufügen.

Tensiometer

Das Wasserpotenzial ist per Definition ein Maß für den Unterschied in der potenziellen Energie zwischen dem Wasser in einer Probe und dem Wasser in einem Referenzpool aus reinem, freiem Wasser. Das Tensiometer ist eine Konkretisierung dieser Definition.

Das Tensiometerrohr enthält ein Reservoir aus (theoretisch) reinem, freiem Wasser. Dieses Reservoir ist (durch eine durchlässige Membran) mit einer Bodenprobe verbunden. Dank des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik bewegt sich das Wasser vom Reservoir zum Boden, bis seine Energie auf beiden Seiten der Membran gleich ist. Dadurch entsteht in der Röhre ein Vakuum. Das Tensiometer verwendet ein Unterdruckmessgerät (ein Vakuometer), um die Stärke dieses Vakuums zu messen und das Wasserpotenzial in Form von Druck zu beschreiben.

Vorteile

Tensiometer sind wahrscheinlich die älteste Art von Wasserpotenzialinstrumenten (das ursprüngliche Konzept stammt mindestens von Livingston aus dem Jahr 1908), aber sie können immer noch recht nützlich sein. Im nassen Bereich kann ein hochwertiges Tensiometer bei geschickter Anwendung sogar eine ausgezeichnete Genauigkeit aufweisen.

Beschränkungen

Die Reichweite des Tensiometers wird durch die Fähigkeit des Wassers im Inneren der Röhre begrenzt, einem Vakuum zu widerstehen. Obwohl Wasser im Wesentlichen inkompressibel ist, bilden Unstetigkeiten in der Wasseroberfläche wie Kanten oder Kieselsteine Keimbildungspunkte, an denen die starken Bindungen des Wassers unterbrochen werden und Kavitation (Niederdruck-Sieden) auftritt. Die meisten Tensiometer kavitieren um -80 kPa, also genau in der Mitte des pflanzenverfügbaren Bereichs.

Die METER Group Ag in Deutschland stellt jedoch Tensiometer her, die dank deutscher Präzisionsarbeit, sorgfältiger Konstruktion und fanatischer Liebe zum Detail moderne Klassiker sind. Diese Tensiometer haben eine hervorragende Genauigkeit und einen Messbereich, der (bei sorgfältiger Bedienung) bis zu -250 kPa reichen kann.

Sekundäre Methoden: Ausnutzung der Feuchtigkeitseigenschaften

Der Wassergehalt ist in der Regel einfacher zu messen als das Wasserpotenzial. Da die beiden Werte miteinander verbunden sind, können Sie den Wassergehalt zur Ermittlung des Wasserpotenzials verwenden.

Ein Diagramm, das zeigt, wie sich das Wasserpotenzial ändert, wenn Wasser in eine bestimmte Bodenmatrix adsorbiert und aus ihr desorbiert wird, wird als Feuchtigkeitscharakteristik oder Feuchtigkeitsabgabekurve bezeichnet.

Jede Matrix, die Wasser aufnehmen kann, hat eine einzigartige Feuchtigkeitscharakteristik, so einzigartig und unverwechselbar wie ein Fingerabdruck. Bei Böden haben selbst kleine Unterschiede in der Zusammensetzung und Textur einen erheblichen Einfluss auf die Feuchtigkeitscharakteristik.

Einige Forscher entwickeln eine Feuchtigkeitscharakteristik für einen bestimmten Bodentyp und verwenden diese Charakteristik, um das Wasserpotenzial aus den Wassergehaltsmessungen zu bestimmen. Matrizenpotentialsensoren verfolgen einen einfacheren Ansatz, indem sie sich den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zunutze machen.

Sensoren für Matrixpotential

Matrizenpotentialsensoren verwenden ein poröses Material mit bekannter Feuchtigkeitscharakteristik. Da alle Energiesysteme zum Gleichgewicht tendieren, wird das poröse Material ein Wasserpotential-Gleichgewicht mit dem umgebenden Boden erreichen.

Anhand der Feuchtigkeitscharakteristik für das poröse Material können Sie dann den Wassergehalt des porösen Materials messen und das Wasserpotenzial sowohl des porösen Materials als auch des umgebenden Bodens bestimmen. Matrizensensoren verwenden eine Vielzahl von porösen Materialien und verschiedene Methoden zur Bestimmung des Wassergehalts.

Die Genauigkeit hängt von der kundenspezifischen Kalibrierung ab

Im besten Fall haben die Sensoren für das Matrixpotential eine gute, aber keine ausgezeichnete Genauigkeit. Im schlechtesten Fall kann die Methode nur anzeigen, ob der Boden feuchter oder trockener wird. Die Genauigkeit eines Sensors hängt von der Qualität der Feuchtigkeitscharakteristik ab, die für das poröse Material entwickelt wurde, sowie von der Gleichmäßigkeit des verwendeten Materials. Um eine gute Genauigkeit zu erzielen, sollte das verwendete Material mit einer primären Messmethode kalibriert werden. Die Empfindlichkeit dieser Methode hängt davon ab, wie schnell sich der Wassergehalt bei Änderungen des Wasserpotenzials ändert. Die Präzision wird durch die Qualität der Messung des Feuchtigkeitsgehalts bestimmt.

Die Genauigkeit kann auch durch die Temperaturempfindlichkeit beeinträchtigt werden. Diese Methode beruht auf isothermen Bedingungen, die schwer zu erreichen sind. Temperaturunterschiede zwischen dem Sensor und dem Boden können erhebliche Fehler verursachen.

Begrenzte Reichweite

Alle Matrixpotentialsensoren sind durch die hydraulische Leitfähigkeit begrenzt: Je trockener der Boden wird, desto länger dauert es, bis sich das poröse Material ausgleicht. Auch die Veränderung des Wassergehalts wird klein und ist schwer zu messen. Auf der nassen Seite wird die Reichweite des Sensors durch das Lufteintrittspotenzial des verwendeten porösen Materials begrenzt.

Filterpapier

Die Filterpapiermethode wurde in den 1930er Jahren von Bodenwissenschaftlern als Alternative zu den damals verfügbaren Methoden entwickelt. Als poröses Medium wird eine bestimmte Art von Filterpapier (Whitman Nr. 42 Ashless) verwendet. Die Proben werden mit dem Filterpapiermedium ins Gleichgewicht gebracht. Die Proben werden mit dem Filterpapier in einer abgedichteten Kammer bei konstanter Temperatur äquilibriert. Der gravimetrische Wassergehalt des Filterpapiers wird mit Hilfe eines Trockenofens bestimmt, und das Wasserpotenzial wird aus der vorgegebenen Feuchtigkeitskennlinie des Filterpapiers abgeleitet. Deka et al. (1995) stellten fest, dass für eine vollständige Äquilibrierung mindestens 6 Tage erforderlich sind.

Reichweite

Es wird allgemein angenommen, dass der Bereich von Filterpapier bis zu -100 MPa reicht, wenn man es vollständig ausbalancieren lässt. Wie Sie jedoch sehen, werden die Fehler aufgrund von Temperaturgradienten bei Wasserpotentialen nahe Null außergewöhnlich groß.

Diese Methode ist kostengünstig und einfach, aber sie ist nicht genau. Sie erfordert isotherme Bedingungen, die schwer zu erreichen sind. Kleine Temperaturschwankungen können erhebliche Fehler verursachen.

Kommerziell erhältliche Sensoren für Matrixpotential

Gipsblöcke: billig und einfach

Gipsblöcke werden oft als einfache Indikatoren für Bewässerungsereignisse verwendet. Gipsblöcke messen den elektrischen Widerstand eines Gipsblocks, wenn dieser auf Veränderungen im umgebenden Boden reagiert. Der elektrische Widerstand ist proportional zum Wasserpotenzial.

Vorteile

Gipsblöcke sind unglaublich billig und ziemlich einfach zu verwenden.

Benachteiligungen

Die Messwerte sind temperaturabhängig und haben eine sehr geringe Genauigkeit. Außerdem löst sich Gips mit der Zeit auf, insbesondere in salzhaltigen Böden, und verliert seine Kalibrierungseigenschaften. Gipsblöcke sagen Ihnen nass oder trocken, aber nicht viel mehr.

Granulare Matrizensensoren: einfach und billig, aber begrenzte Genauigkeit

Wie Gipsblöcke messen granulare Matrizensensoren den elektrischen Widerstand in einem porösen Medium. Anstelle von Gips verwenden sie körnigen Quarz, der von einer synthetischen Membran und einem Schutznetz aus Edelstahl umgeben ist.

Vorteile

Im Vergleich zu Gipsblöcken halten granulare Matrizensensoren länger und funktionieren auch bei feuchteren Bodenbedingungen. Die Leistung kann durch Messung und Kompensation von Temperaturschwankungen verbessert werden.

Benachteiligungen

Die Messungen sind temperaturabhängig und haben eine geringe Genauigkeit. Selbst bei gutem Kontakt zwischen Boden und Sensor haben granulare Matrizensensoren Probleme mit der Rückbefeuchtung, nachdem sie auf sehr trockene Bedingungen eingestellt wurden, da Wasser aus einem feinen Boden nur schwer in das grobe Medium der granularen Matrix eindringen kann. Die Reichweite wird am nassen Ende durch das Lufteintrittspotenzial der Matrix begrenzt. Granulatmatrixsensoren können den Wassergehalt/das Wasserpotenzial erst dann messen, wenn die größten Poren in der Matrix beginnen, sich zu entleeren. Außerdem verwenden diese Sensoren ein Gipsgranulat, das sich mit der Zeit auflöst, was zu einer schlechten Langzeitstabilität führt.

Sensoren auf Keramikbasis

Sensoren auf Keramikbasis verwenden eine Keramikscheibe als poröses Medium. Die Qualität des Sensors hängt von den spezifischen Eigenschaften der Keramik ab.

Die Genauigkeit wird durch die Tatsache begrenzt, dass jede Scheibe eine etwas einzigartige Feuchtigkeitscharakteristik aufweist. Gleichmäßigkeit im keramischen Material führt zu größerer Genauigkeit, schränkt aber den Bereich erheblich ein. Die individuelle Kalibrierung jedes einzelnen Sensors verbessert die Genauigkeit erheblich, ist aber zeitaufwändig. Jüngste Innovationen in der Kalibrierungstechnik bieten möglicherweise bessere kommerzielle Kalibrierungsoptionen.

Die Reichweite ist auf der nassen Seite durch das Lufteintrittspotenzial der Keramik begrenzt. Sensoren auf Keramikbasis können nur dann mit der Messung des Wassergehalts/-potenzials beginnen, wenn die größten Poren in der Keramik zu entleeren beginnen. Auf der trockenen Seite ist die Reichweite durch die Gesamtporosität begrenzt, die in kleinen Poren enthalten ist, die bei niedrigem Wasserpotenzial abfließen.

Zwei Typen:

Sensor für die Wärmeableitung

Der Wärmeableitungssensor misst den Feuchtigkeitsgehalt der Keramik, indem er ihre Wärmeleitfähigkeit misst. Mit einem Keramikzylinder, der eine Heizung und ein Thermoelement enthält, misst er die Ausgangstemperatur, heizt einige Sekunden lang und misst dann die Temperaturänderung. Durch Auftragen der Temperaturänderung gegen die logarithmische Zeit wird der Feuchtigkeitsgehalt der Keramik bestimmt. Der Feuchtigkeitsgehalt wird anhand der Feuchtigkeitscharakteristik der Keramikscheibe in das Wasserpotenzial umgerechnet. Da der Sensor beheizt wird, muss er von einem System mit großen Energiereserven gespeist werden (z.B. Campbell Scientific Datenlogger oder ähnliches).

Genauigkeit

Wenn er nicht individuell kalibriert wird, hat der Wärmeabgabesensor nur eine mäßige Genauigkeit.

Reichweite

Am sehr trockenen Ende ist die Wärmeleitfähigkeitskurve sehr empfindlich, so dass Wärmeableitungssensoren im trockenen Bereich (-1 bis -50 mPa) von großem Nutzen sind. Am feuchten Ende ist der Wärmeableitungssensor durch das Lufteintrittspotenzial der Keramik begrenzt.

Sensor für dielektrisches Matrizenpotential

Dielektrische Matrixpotentialsensoren messen die Ladungsspeicherkapazität einer Keramikscheibe, um ihren Wassergehalt zu bestimmen. Sie verwenden dann die Feuchtigkeitscharakteristik der Scheibe, um den Wassergehalt in das Wasserpotenzial umzurechnen.

Da sie eine dielektrische Technik verwenden, reagieren die Sensoren sehr empfindlich auf kleine Veränderungen im Wasser. Wie alle keramikbasierten Sensoren erfordern auch die Matrixpotentialsensoren eine kundenspezifische Kalibrierung für eine gute Genauigkeit.

Vorteile

Dielektrische Matrixpotentialsensoren sind stromsparend und wartungsfrei.

Benachteiligungen

Ohne Kalibrierung haben die Sensoren eine Genauigkeit von nur ±40% des Messwerts. Eine neuere, kundenspezifisch kalibrierte Version des Sensors verspricht jedoch eine Genauigkeit von ±10% des Messwerts.

Weitere Ressourcen für die Messung des Wasserpotenzials

1. Gee, Glendon W., Anderson L. Ward, Z. F. Zhang, Gaylon S. Campbell, und J. Mathison. "Der Einfluss des hydraulischen Ungleichgewichts auf Druckplattendaten". Vadose Zone Journal 1, Nr. 1 (2002): 172-178.
2. Cresswell, H. P., T. W. Green, und N. J. McKenzie. "The adequacy of pressure plate apparatus for determining soil water retention". Soil Science Society of America Journal 72, Nr. 1 (2008): 41-49.
3. Bittelli, Marco, und Markus Flury. "Fehler in Wasserrückhaltekurven, die mit Druckplatten ermittelt wurden". Soil Science Society of America Journal 73, no. 5 (2009): 1453-1460.
4. Baker, Rafael, und Sam Frydman. "Ungesättigte Bodenmechanik: Kritische Überprüfung der physikalischen Grundlagen". Ingenieurgeologie 106, Nr. 1 (2009): 26-39. Artikel-Link.
5. Deka, R. N., M. Wairiu, P. W. Mtakwa, C. E. Mullins, E. M. Veenendaal, und J. Townend. "Anwendung und Genauigkeit der Filter-Papier-Methode zur Messung des Matrixpotentials von Böden". European Journal of Soil Science 46, Nr. 2 (1995): 233-238. Artikel-Link.

Wasserpotenzial beobachten 301

Leo Rivera vermittelt die Fähigkeiten, die zur Erstellung einer Boden-Wasser-Kennlinie mit Tensiometerdaten am nassen Ende (HYPROP) und Taupunktdaten am trockenen Ende (WP4C) zu erstellen, die in der Mitte tatsächlich übereinstimmen.

Diese Techniken ermöglichen es Forschern, ihre Geräte über ihre Spezifikationen hinaus zu nutzen. Erfahren Sie mehr über die Probleme im Zusammenhang mit diesen Messungen, einschließlich der Auswirkungen der Hysterese und der Änderungen der Probenvorbereitungsmethoden, die erforderlich sind, wenn Sie in den Nassbereich vorstoßen.

WASSERPOTENTIAL IN AKTION

Retentionskurven

Retentionskurven (auch Bodenwasser-Charakteristikkurven oder Bodenwasser-Retentionskurven genannt) sind wie physikalische Fingerabdrücke, die für jeden Bodentyp einzigartig sind. Forscher verwenden sie, um das Schicksal des Wassers in einem bestimmten Boden bei einem bestimmten Feuchtigkeitszustand zu verstehen und vorherzusagen. Feuchtigkeitsabgabekurven geben Antworten auf wichtige Fragen wie: Bei welchem Feuchtigkeitsgehalt wird der Boden dauerhaft welk? Wie lange sollte ich bewässern? Oder wird das Wasser schnell durch den Boden abfließen oder in der Wurzelzone gehalten werden? Sie sind ein leistungsfähiges Instrument zur Vorhersage der Wasseraufnahme von Pflanzen, der Tiefenentwässerung, des Abflusses und mehr.

Was ist eine Retentionskurve?

Es besteht eine Beziehung zwischen dem Wasserpotenzial und dem volumetrischen Wassergehalt, die anhand eines Diagramms dargestellt werden kann. Zusammen ergeben diese Daten eine Kurvenform, die als Retentionskurve bezeichnet wird. Die Form einer Kurve zur Feuchtigkeitsabgabe des Bodens ist für jeden Boden einzigartig. Sie wird von vielen Variablen beeinflusst, wie z.B. der Bodentextur, der Schüttdichte, der Menge an organischen Stoffen und der tatsächlichen Zusammensetzung der Porenstruktur, und diese Variablen unterscheiden sich von Standort zu Standort und von Boden zu Boden.

Abbildung 9 zeigt Beispielkurven für drei verschiedene Böden. Auf der X-Achse steht das Wasserpotenzial auf einer logarithmischen Skala und auf der Y-Achse der volumetrische Wassergehalt. Diese Beziehung zwischen Bodenwassergehalt und Wasserpotenzial (oder Bodensog) ermöglicht es Forschern, die Wasserverfügbarkeit und Wasserbewegung in einem bestimmten Bodentyp zu verstehen und vorherzusagen. In Abbildung 1 sehen Sie beispielsweise, dass der permanente Welkepunkt (rechte vertikale Linie) bei jedem Bodentyp einen anderen Wassergehalt aufweist. Der feine sandige Lehm wird bei 5 % VWC dauerhaft welken, während der schluffige Lehm bei fast 15 % VWC dauerhaft welken wird.

Woher stammen die Daten der Feuchtigkeitsabgabekurve?

Retentionskurven können an Ort und Stelle oder im Labor durchgeführt werden. Auf dem Feld werden der Wassergehalt und das Wasserpotenzial des Bodens mit Bodensensoren überwacht.

Die einfachen, zuverlässigen dielektrischen Sensoren von METER melden Bodenfeuchtigkeitsdaten nahezu in Echtzeit direkt über den DatenloggerZL6 an cloud (ZENTRA Cloud). Das spart enorm viel Arbeit und Kosten. Der TEROS 12 misst den Wassergehalt und ist mit dem TEROS Bohrloch-Installationswerkzeug einfach zu installieren. Der TEROS 21 ist ein einfach zu installierender Feldwasserpotentialsensor.

Im Labor können Sie die METER's HYPROP und WP4C kombinieren, um automatisch eine vollständige Retentionskurven über den gesamten Bereich der Bodenfeuchte zu erstellen.

Sehen Sie, wie die Kurven der Feuchtigkeitsabgabe im Labor und in situ Gegenüberstellung

So verwenden Sie eine Retentionskurve

Eine Retentionskurve verbindet die extensive Variable des volumetrischen Wassergehalts mit der intensiven Variable des Wasserpotenzials. Die grafische Darstellung der extensiven und intensiven Variablen ermöglicht es Forschern und Bewässerern, wichtige Fragen zu beantworten, z. B. wohin sich das Bodenwasser bewegen wird. Wenn es sich bei den drei Böden in Abbildung 10 beispielsweise um verschiedene Bodenhorizontschichten mit einem Wassergehalt von 15 % handelt, würde sich das Wasser im lehmigen Feinsand in Richtung der feinsandigen Lehmschicht bewegen, da diese ein negativeres Wasserpotenzial hat.

Eine Retentionskurve kann auch dazu verwendet werden, Entscheidungen über die Bewässerung zu treffen, z.B. wann das Wasser eingeschaltet und wann es abgestellt werden soll. Dazu müssen Forscher oder Bewässerer sowohl den volumetrischen Wassergehalt (VWC) als auch das Wasserpotenzial kennen. Der VWC sagt dem Landwirt, wie viel Bewässerung er anwenden muss. Und das Wasserpotenzial zeigt an, wie viel Wasser den Pflanzen zur Verfügung steht und wann die Bewässerung eingestellt werden sollte. So funktioniert es.

Abbildung 11 zeigt typische Feuchtigkeitsabgabekurven für einen lehmigen Sand, einen schluffigen Lehm und einen Tonboden. Bei -100 kPa liegt der Wassergehalt des sandigen Bodens unter 10%. Im schluffigen Lehm liegt er jedoch bei etwa 25% und im Tonboden bei fast 40%. Die Feldkapazität liegt normalerweise zwischen -10 und -30 kPa. Und der permanente Verwelkungspunkt liegt bei etwa -1500 kPa. Ein Boden, der trockener ist als dieser permanente Welkepunkt, würde keine Pflanze mit Wasser versorgen. Und Wasser in einem Boden, der feuchter ist als die Feldkapazität, würde aus dem Boden abfließen. Ein Forscher/Bewässerungsspezialist kann sich diese Kurven ansehen und feststellen, wo der optimale Wassergehalt für jede Bodenart liegen würde.

Abbildung 12 ist die gleiche Feuchtigkeitsabgabekurve, die den Bereich der Feldkapazität (grüne vertikale Linien), die untere Grenze, die normalerweise für eine bewässerte Kultur gesetzt wird (gelb), und den permanenten Welkepunkt (rot) zeigt. Anhand dieser Kurven kann ein Forscher/Bewässerer erkennen, dass das Wasserpotenzial des Schlufflehms zwischen -10 und -50 kPa gehalten werden sollte. Und der Wassergehalt, der diesen Wasserpotenzialen entspricht, sagt dem Bewässerer, dass der Wassergehalt des Schlufflehms bei etwa 32% (0,32 m3/m3) gehalten werden muss. Bodenfeuchtesensoren können ihn warnen, wenn er über oder unter diese optimale Grenze kommt.

ZENTRA vereinfacht alles

Sobald die Informationen aus einer Freisetzungskurve gewonnen sind, werden METERs ZL6 Datenlogger und ZENTRA Cloud den Prozess der Aufrechterhaltung eines optimalen Feuchtigkeitsniveaus vereinfachen. Obere und untere Grenzwerte können unter ZENTRA cloud festgelegt werden. Sie werden als schattiertes Band über den nahezu in Echtzeit erfassten Bodenfeuchtigkeitsdaten (blaue Schattierung) angezeigt, so dass Sie leicht erkennen können, wann Sie die Bewässerung ein- und ausschalten müssen. Es werden sogar automatisch Warnungen verschickt, wenn sich diese Grenzen nähern oder überschritten werden.

mehr erfahren über die Verbesserung der Bewässerung mit Bodenfeuchtigkeit

Laborkurven - jetzt einfacher als je zuvor

Vor 15-20 Jahren dauerte es Monate, bis man im Labor ein vollständiges, detailliertes Retentionskurve erstellen konnte, aber seitdem haben wir einen langen Weg zurückgelegt. Und warum?

Feuchtigkeitsabgabekurven hatten schon immer zwei Schwachstellen: eine Spanne mit begrenzten Daten zwischen 0 und -100 kPa und eine Lücke von -100 kPa bis -1000 kPa, in der kein Instrument genaue Messungen vornehmen konnte. Zwischen 0 und -100 kPa verliert der Boden die Hälfte oder mehr seines Wassergehalts. Die Verwendung von Druckplatten zur Erstellung von Datenpunkten für diesen Abschnitt einer Feuchtigkeitsabgabekurve bedeutete, dass die Kurve auf nur fünf Datenpunkten beruhte.

Und dann ist da noch die Lücke. Die niedrigsten Tensiometermessungen enden bei -0,085 MPa, während der historisch höchste Bereich des WP4-Wasserpotenzialmessers kaum -1 MPa erreicht. Das hinterließ ein Loch in der Kurve genau in der Mitte des pflanzenverfügbaren Bereichs.

Im Jahr 2008 brachte die METER Group AG in Deutschland das HYPROP auf den Markt, ein Gerät, das mehr als 100 Datenpunkte im Bereich von 0 bis -0,1 MPa erzeugen kann. Damit wurde das Problem der Auflösung gelöst, da mehr als 20 Mal so viele Daten hinter diesem Abschnitt der Kurve liegen.

Im Jahr 2010 brachte METER Group das überarbeitete WP4C Wasserpotentialmessgerät auf den Markt. Deutliche Verbesserungen bei der Genauigkeit und der Reichweite ermöglichen es dem WP4C nun, gute Messwerte bis hin zum Tensiometerbereich zu erzielen. Die Verwendung von HYPROP mit dem neu gestalteten WP4Ckann ein geschickter Experimentator jetzt vollständige, hochauflösende Kurven der Feuchtigkeitsabgabe erstellen. Ausführliche Informationen über die Erstellung vollständiger Retentionskurven im Labor finden Sie in unserem Moisture Release Curve App Guide.

Warten Sie, es gibt noch mehr

Retentionskurven können noch mehr Einblicke und Informationen liefern, die über den Rahmen dieses Artikels hinausgehen. Forscher verwenden sie, um viele Fragen zu verstehen, wie z.B. die Schwind- und Quellfähigkeit des Bodens, die Kationenaustauschkapazität oder die bodenspezifische Oberfläche.

Möchten Sie erfahren, wie Retentionskurven für Ihre Anwendung genutzt werden kann? Kontaktieren Sie uns - unsere Bodenwissenschaftler haben jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern bei der Messung des Kontinuums Boden-Pflanze-Atmosphäre. Oder sehen Sie sich unser Retentionskurve Webinar an: Bodenfeuchte 201: Kurven der Feuchtigkeitsabgabe - Enthüllt.

WASSERPOTENZIAL: EINE KLEINE GESCHICHTE

Verständnis des ungesättigten Wasserflusses in Böden

Um die Jahrhundertwende stellte das USDA Bureau of Soils (BOS) mehrere reine Physiker ein, um verwirrende Probleme in der Landwirtschaft zu lösen. Einer von ihnen war Edgar Buckingham. Als Buckingham 1902 zum Bureau of Soils kam, hatte er bereits einen Text über Thermodynamik verfasst. Seine ersten Experimente am BOS befassten sich mit dem Gastransport in Böden, aber schließlich befasste er sich mit dem Problem des ungesättigten Wasserflusses im Boden, und hier leistete er seinen größten Beitrag zur Bodenphysik.

Als klassischer Physiker nutzte Buckingham die Mathematik, um die Rätsel und Verwirrungen rund um das Fließen von Wasser im Boden zu untersuchen. Buckingham erkannte, dass nicht der Wassergehalt die Strömung in ungesättigten Böden bestimmt, sondern die Kräfte, die dafür verantwortlich sind. Er war von Natur aus mit elektrischen und thermischen Kraftfeldern und den von ihnen erzeugten Strömungen vertraut. Diese Konzepte waren bequeme Entsprechungen für die treibende Kraft, die im Boden durch die Gradienten der von ihm so genannten "Kapillarleitfähigkeit" erzeugt wird. Buckingham verwendete das Ohmsche und das Fouriersche Gesetz, um diesen Fluss zu beschreiben.

1902: Edgar Buckingham arbeitet für das Bureau of Soils. Seine Erfahrungen im Bereich der Thermodynamik haben zu den Anfängen unseres Verständnisses von ungesättigtem Wasserfluss in Böden beigetragen.

1930s: L.A. Richards entwickelt die Druckplatte, eines der ersten Instrumente, das die "kapillare Leitfähigkeit" effektiv messen kann.

1940s: L.A. Richards und John Monteith veröffentlichen Arbeiten, in denen sie beschreiben, wie Thermoelement-Psychrometer zur Messung des Wasserpotenzials von Bodenproben verwendet werden können.

1951: D.C. Spanner demonstriert als Erster erfolgreich die Verwendung eines Thermoelement-Psychrometers zur Messung des Wasserpotenzials im Boden.

1983: METER bringt das erste kommerziell erhältliche Thermoelement-Psychrometer auf den Markt (das SC-10, später bekannt als TruPsi).

Messung des Wasserpotenzials im Labor

Obwohl Edgar Buckingham 1907 die "kapillare Leitfähigkeit" beschrieb und demonstrierte, war er weit davon entfernt, sie effektiv messen zu können. Das erste Instrument, das dies konnte, war die von L.A. Richards in den 1930er Jahren entwickelte Druckplatte. Eine Druckplatte misst nicht das Wasserpotenzial einer Probe. Stattdessen bringt sie eine Probe auf ein bestimmtes Wasserpotenzial. Das Gerät übt Druck aus, um Wasser aus der Probe in eine poröse Keramikplatte zu pressen. Wenn sich die Probe im Gleichgewicht befindet, entspricht ihr Wasserpotenzial theoretisch dem ausgeübten Druck.

Sobald die Bodenproben unter Druck ein bestimmtes Wasserpotenzial erreichen, kann der Forscher den damit verbundenen Wassergehalt messen. Durch diese Messungen bei verschiedenen Drücken kann eine charakteristische Bodenfeuchtigkeit ermittelt werden.

Methoden mit Dampf

Mehr als ein Jahrzehnt nach der Einführung der Druckplatte veröffentlichten L. A. Richards in den USA und John Monteith in Großbritannien Arbeiten, in denen sie beschrieben, wie ein Thermoelement-Psychrometer zur Messung des Wasserpotenzials von Bodenproben verwendet werden kann, indem die Probe in einer geschlossenen Kammer mit Dampf ins Gleichgewicht gebracht und die relative Feuchtigkeit des Dampfes gemessen wird. Im Gleichgewicht steht die relative Feuchtigkeit des Dampfes in direktem Zusammenhang mit dem Wasserpotenzial der Probe.

Der Begriff Psychrometer, der 1818 von dem deutschen Erfinder Ernst Ferdinand August (1795-1870) geprägt wurde, bedeutet auf Griechisch "Kältemesser". Ein Psychrometer besteht aus zwei identischen Thermometern. Das eine (die Trockenkugel) wird trocken gehalten, während das andere (die Feuchtkugel) gesättigt gehalten wird. Der Temperaturunterschied zwischen der Feucht- und der Trockenkugeltemperatur kann zur Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit verwendet werden.

Thermoelement-Psychrometer

Die ersten Psychrometer, die zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit über einer Bodenprobe verwendet wurden, waren notwendigerweise recht klein. Die beiden Thermometer bestanden aus winzigen, zerbrechlichen Thermoelementen. Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, der aus zwei ungleichen Leitern besteht, die an einer Stelle verbunden sind. Das Thermoelement wandelt ein Temperaturgefälle in Elektrizität um, die gemessen werden kann, um Temperaturänderungen zu bestimmen.

Thermoelement-Psychrometer wurden erstmals vor 1951 von D.C. Spanner erfolgreich zur Messung des Wasserpotenzials eingesetzt, aber es war eine schwierige Messung. Um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, musste Spanner seinen eigenen Draht aus Wismut-Antimon herstellen - laut John Monteith trug ein Abzug in Rothamsted viele Jahre lang die Spuren dieser Experimente.

Andere hatten Mühe, seine Messungen zu wiederholen. Die Proben brauchten bis zu einer Woche, um sich auszugleichen, und die zerbrechlichen Thermoelemente zeigten oft nur eine Probe an, bevor sie kaputt gingen. Dennoch sah Richards 1961 in der Dampfmethode die Zukunft der Wasserpotentialmessung (Richards und Ogata, 1961).

Decagon (jetzt METER) stellte 1983 sein erstes kommerzielles Thermoelement-Psychrometer vor (das SC-10 Thermocouple Psychrometer Sample Changer, später TruPsi). Dieses Gerät verwendete ein empfindliches Thermoelement, das jedoch in einem versiegelten Gehäuse geschützt war. Neun Proben wurden gleichzeitig äquilibriert und unter dem zu messenden Thermoelement gedreht.

Vor jeder Messung wurde das Feuchtkugel-Thermoelement in ein kleines Wasserreservoir getaucht. Der elektrische Ausgang des Thermoelements wurde an ein Nanovoltmeter gesendet, das überwacht werden musste, um festzustellen, wann sich die Temperaturen nicht mehr veränderten.

Taupunkt-Wasserpotential-Messgeräte

In den späten 1990er Jahren begann Decagon (jetzt METER) mit der Produktion des WP4C Taupunkt-Potentiameters, einer verbesserten Methode zur Messung des Wasserpotenzials anhand des Dampfdrucks. Wie das Psychrometer misst es den Dampfdruck über einer in einer Kammer eingeschlossenen Probe. Beide Geräte sind primäre Methoden, die auf thermodynamischen Prinzipien beruhen.

Anders als das Psychrometer verwendet das Taupunkt-Potentiometer einen Taupunktsensor mit gekühltem Spiegel. Ein kleiner Spiegel in der Kammer wird gekühlt, bis sich auf ihm gerade Tau bildet. Am Taupunkt misst das WP4C sowohl die Temperatur des Spiegels als auch die der Probe mit einer Genauigkeit von 0,001 °C, um die relative Feuchtigkeit des Dampfes über der Probe zu bestimmen. Das Wasserpotenzial der Probe ist linear mit der Differenz zwischen der Probentemperatur und der Taupunkttemperatur verbunden.

Der Taupunktsensor hat mehrere Vorteile. Er ist schneller und liefert genaue Messungen, auch wenn der Bediener relativ ungeschult ist. Außerdem benötigt der Kühlspiegelsensor kein zusätzliches Wasser und erhöht daher nicht den Wassergehalt des Dampfes über der Probe.

Diese Messung hat den Vorteil, dass sie eine primäre Methode zur Bestimmung des Wasserpotenzials ist, die solide auf thermodynamischen Prinzipien und nicht auf einer Kalibrierung beruht.

Die neueste Version dieses Geräts kann Temperaturen bis auf ein Tausendstel Grad genau auflösen, wodurch es möglich ist, Proben, die so nass sind wie -0,5 MPa, mit hervorragender Genauigkeit zu messen.

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Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre.

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