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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Tensiometer sind wahrscheinlich die älteste Art von Instrumenten zur Messung des Wasserpotenzials (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, wenn es geschickt eingesetzt wird, sogar eine ausgezeichnete Genauigkeit aufweisen.
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 zu modernen Klassikern werden. Diese Tensiometer haben eine hervorragende Genauigkeit und einen Messbereich, der (bei sorgfältiger Bedienung) bis zu -250 kPa reichen kann.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Gipsblöcke sind unglaublich billig und ziemlich einfach zu verwenden.
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.
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.
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.
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 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.
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).
Wenn er nicht individuell kalibriert wird, hat der Wärmeabgabesensor nur eine mäßige Genauigkeit.
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.
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.
Dielektrische Matrixpotentialsensoren sind stromsparend und wartungsfrei.
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.
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