Warum Bodenfeuchtesensoren nicht alles sagen können, was Sie wissen müssen
Genaue, preiswerte Bodenfeuchtesensoren machen die VWC-Messung zu einer zu Recht beliebten Messung, aber ist sie auch die richtige Messung für Ihre Anwendung?
Laborgeräte vs. Feldgeräte - Warum Sie beides verwenden sollten
Labor- und Feldinstrumente zusammen können Forschern eine Symphonie von Informationen liefern und können als leistungsstarke Werkzeuge zum Verständnis von Daten und zur Vorhersage des Verhaltens eines Bodens im Laufe der Zeit eingesetzt werden.
Wenn Forscher die hydraulischen Eigenschaften des Bodens im Labor oder auf dem Feld messen, sehen sie wahrscheinlich nur einen Teil des Bildes. Laborsysteme sind aufgrund der kontrollierten Bedingungen sehr genau, aber bei den Labormessungen werden Standortvariabilitäten wie Wurzeln, Risse oder Wurmlöcher, die die Bodenhydrologie beeinflussen können, nicht berücksichtigt. Wenn Forscher eine Probe aus dem Feld ins Labor bringen, werden die Makroporen des Bodens während der Probenahme oft zusammengedrückt, wodurch sich die hydraulischen Eigenschaften des Bodens verändern.
Feldexperimente helfen den Forschern, die Variabilität und die Echtzeitbedingungen zu verstehen, aber sie haben auch eine Reihe von Problemen. Das Feld ist ein unkontrolliertes System. Das Wasser bewegt sich durch Verdunstung, Pflanzenaufnahme, Kapillaraufstieg oder Tiefenentwässerung durch das Bodenprofil, was viele Messungen in verschiedenen Tiefen und an verschiedenen Orten erfordert. Feldforscher müssen auch mit der Unberechenbarkeit des Wetters umgehen. Niederschläge können dazu führen, dass ein Trocknungsexperiment im Feld einen ganzen Sommer dauert, während es im Labor nur eine Woche dauert.
| Labor | Messung | Feld |
|---|---|---|
| PARIO | Textur des Bodens | |
| HYPROP | Wasserpotenzial (feuchter Bereich) | Tensiometer (TEROS 32) |
| WP4C | Wasserpotenzial (Trockenbereich) | TEROS 21 |
| HYPROPund Verfahren zum Trocknen im Ofen | Wassergehalt | Sensoren für den volumetrischen Wassergehalt |
| KSAT | Gesättigte hydraulische Leitfähigkeit | SATURO (Feld gesättigt) |
| HYPROP | Ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit | Mini disk infiltrometer |
Das große Bild - vergrößert
Forscher, die sowohl Labor- als auch Feldtechniken einsetzen und dabei die Stärken und Grenzen der einzelnen Methoden kennen, können ihr Verständnis der Vorgänge im Bodenprofil exponentiell verbessern. Im Labor könnte ein Forscher zum Beispiel den PARIO Bodenbeschaffenheitsanalysator verwenden, um genaue Daten zur Bodenbeschaffenheit zu erhalten, einschließlich einer vollständigen Partikelgrößenverteilung. Sie könnten diese Daten dann mit einem HYPROP-generierten Retentionskurve kombinieren, um die hydraulischen Eigenschaften des jeweiligen Bodentyps zu verstehen. Wenn der Forscher dann noch qualitativ hochwertige Felddaten hinzufügt, um die realen Bedingungen auf dem Feld zu verstehen, dann sieht er plötzlich das große Ganze.
Im Folgenden erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen Labor- und Feldinstrumenten und wie Forscher diese Instrumente kombinieren können, um ihr Bodenprofil besser zu verstehen. Klicken Sie auf die Links, um ausführlichere Informationen zu den einzelnen Themen zu erhalten.
| Stärken | Beschränkungen | |
|---|---|---|
| Labor-Instrumentierung |
|
|
| Feld-Instrumentierung |
|
|
Partikelgrößenverteilung und warum sie wichtig ist
Die Analyse der Bodenart und der Partikelgröße ist der erste Einblick in den Boden und seine einzigartigen Eigenschaften. Jeder Forscher sollte die Art des Bodens, mit dem er arbeitet, identifizieren, um seine Daten vergleichen zu können. Wenn Forscher ihren Bodentyp nicht kennen, können sie keine Annahmen über den Zustand des Bodenwassers auf der Grundlage des Wassergehalts treffen (d.h. wenn sie mit Pflanzen arbeiten, können sie nicht vorhersagen, ob es pflanzenverfügbares Wasser geben wird). Außerdem können unterschiedliche Bodentypen in den Bodenhorizonten die Auswahl der Messungen, die Wahl der Sensoren und die Platzierung der Sensoren durch den Forscher beeinflussen.
Die Analyse der Partikelgröße definiert den prozentualen Anteil von grobem zu feinem Material, aus dem ein Boden besteht. Mit diesem Wissen kann ein Forscher abschätzen, wie stark ein bestimmter Boden Wasser speichern wird. Die Analyse der Partikelgröße geht über die einfache Definition der Bodenart hinaus. Die Analyse der Partikelgröße wirkt eher wie ein Fingerabdruck des Bodens und zeigt die einzigartige Verteilung der Partikelgröße über die Sand-, Schluff- und Tonfraktionen. Diese Informationen können einem Geotechniker dabei helfen, zu verstehen, wie ein schwindender Boden im Laufe der Zeit reagieren wird, oder sie können die Bewässerungsentscheidungen eines Landwirts beeinflussen. Die Partikelgrößenverteilung kann auch Aufschluss darüber geben, wie sich die Bodenstruktur gebildet hat oder noch bilden wird, und sie beeinflusst die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit: Je grober das Material ist, desto leichter kann sich das Wasser bewegen.
In der Vergangenheit haben Forscher die Bodentextur mit groben Methoden wie dem Bandtest, der Pipettenmethode oder der zeitaufwändigen Aräometertechnik bestimmt. PARIOPARIO liefert den Forschern eine vollständige Analyse der Partikelgrößenverteilung, einschließlich einer Aufschlüsselung der Anteile von feinem Schluff, mittlerem Schluff, Ton und Sand. Nach Erhalt der Analyse berechnet die Software automatisch die Position auf dem USDA-Bodentexturdreieck, um den Bodentyp genau zu bestimmen.
Forscher sollten PARIO als ersten Schritt zum Verständnis ihres Bodens nutzen, bevor sie entscheiden, welche anderen Parameter sie messen wollen. Dies hilft ihnen zu entscheiden, welche Labor- oder Feldinstrumente für ihre Forschungsziele am effektivsten sind.
Eine Feuchtigkeitsabgabekurve ist der Stein des Anstoßes für einen Boden
Jeder Bodentyp hat eine andere Feuchtigkeitsabgabekurve (oder Bodenwasserkennlinie). Forscher verwenden Feuchtigkeitsabgabekurven, um zu verstehen, wie Boden und Pflanzen reagieren würden, wenn sich die Feuchtigkeit in einem bestimmten Boden im Laufe der Zeit ändern würde. Sie geben Auskunft darüber, wie schnell sich die Wassermenge(Wassergehalt) im Vergleich zur verfügbaren Wassermenge(Wasserpotenzial) ändert.
![A graph showing a Soil moisture release curve (or soil water characteristic curve [SWCC])](https://metergroup.com/app/uploads/2023/05/soil-moisture-release-curve-1-1.jpg)
Feuchtigkeitsabgabekurven helfen den Forschern bei der Vorhersage, ob sich das Wasser bewegt und wohin es fließen wird. Eine Freisetzungskurve veranschaulicht auch, wie viel Wasser den Pflanzen bei verschiedenen Wassergehalten im Laufe der Zeit zur Verfügung stehen wird. In einem Sand nahe der Sättigung beispielsweise ändert sich der Wassergehalt im Laufe der Zeit schnell, während das Wasserpotenzial nur leicht abnimmt. Das liegt daran, dass die großen Poren und die geringe Oberfläche des Sandes das Wasser nicht festhalten, so dass es besser verfügbar ist. Umgekehrt ändert sich in einem Ton nahe der Sättigung die Wassermenge langsamer, während sich das Wasserpotenzial relativ schnell ändert, weil die größere Oberfläche und die kleineren Poren des Tons das Wasser stärker festhalten und weniger für Pflanzen oder Wasserbewegungen freigeben. Eine Feuchtigkeitsabgabekurve veranschaulicht die Beziehung zwischen Wassergehalt und Wasserpotenzial und zeigt den Forschern, wie sich der Boden in jedem Zustand verhält.
mehr erfahren darüber, warum und wie man eine Feuchtigkeitsabgabekurve erstellt
Laden Sie den "Researchers complete guide to water potential" herunter
HYPROP: der Experte für Retentionskurven
Der einfachste Weg, eine Feuchtigkeitsabgabekurve zu erstellen, ist im Labor. Das HYPROP ist ein einzigartiges Laborgerät, das die Wind/Schindler-Verdunstungsmethode anwendet, um Feuchtigkeitsabgabekurven für Böden mit Wasserpotenzialen im Tensiometerbereich - dem Bereich der meisten Wasserbewegungen - zu erstellen. Mit Hilfe von zwei Präzisions-Tensiometern erzeugt es automatisch über 100 Datenpunkte im Bereich von 0 bis -100 kPa. Die Erstellung der Kurve dauert drei bis fünf Tage, aber das Gerät arbeitet unbeaufsichtigt. Die Reichweite des HYPROPist durch die Reichweite der Tensiometer begrenzt, kann aber mit dem WP4C kombiniert werden, um eine Feuchtigkeitsabgabekurve über den gesamten Feuchtigkeitsbereich zu erstellen.
Kombinieren Sie die HYPROP mit der WP4C für eine vollständige Feuchtigkeitsabgabekurve
Das WP4C ist ein Laborgerät, das das Wasserpotenzial im trockenen Bereich misst, indem es die relative Luftfeuchtigkeit über einer Probe in einer geschlossenen Kammer bestimmt. Sobald die Probe mit dem Dampf in der versiegelten Kammer des WP4Cins Gleichgewicht gekommen ist, ermittelt das Gerät die relative Luftfeuchtigkeit mit Hilfe der Kühlspiegelmethode. Bei dieser Methode wird ein kleiner Spiegel in der Kammer gekühlt, bis sich gerade Tau darauf bildet. Am Taupunkt misst das WP4C sowohl die Temperatur des Spiegels als auch die der Probe mit einer Genauigkeit von 0,001 °C. Dies ermöglicht es dem WP4C , Wasserpotential-Messwerte mit unvergleichlicher Genauigkeit im Bereich von -0,05 MPa bis -300 MPa zu liefern.
Das WP4C kann zusammen mit dem HYPROP verwendet werden, um ein komplettes Retentionskurve über die gesamte Bandbreite der Bodenfeuchtigkeit zu erstellen. Sehen Sie sich das Video an, um zu erfahren, wie das funktioniert. In Verbindung mit den Informationen aus PARIO kann dies ein leistungsfähiges Instrument zum Verständnis der hydraulischen Eigenschaften des Bodens sein.
Kurven der Feuchtigkeitsabgabe auf dem Feld? Ja, das ist möglich
Die HYPROP und WP4C bieten die Möglichkeit, schnelle und genaue Retentionskurven (Bodenwasserkennlinien - SWCCs) zu erstellen. Allerdings haben Labormessungen einige Einschränkungen: Der Probendurchsatz begrenzt die Anzahl der Kurven, die erstellt werden können, und die in einem Labor erstellten Kurven repräsentieren nicht das Verhalten in situ. Die im Labor erstellten Kurven zur Wasserrückhaltung im Boden können jedoch mit den Informationen aus den Kurven zur Feuchtigkeitsabgabe in situ kombiniert werden, um einen tieferen Einblick in die Variabilität der realen Welt zu erhalten. Die gleichzeitige Verwendung von Sensoren für das Matrixpotenzial und den Wassergehalt in situ erweitert die Wissensbasis eines Forschers um viele weitere Kurven der Wasserabgabe. Und da geotechnische Ingenieure und Bewässerungswissenschaftler in erster Linie mit dem Verhalten ungesättigter Böden an Ort und Stelle beschäftigt sind, wäre es ideal, die im Labor erstellten Kurven durch In-situ-Messungen zu ergänzen. Ein kürzlich von Campbell et al. (2018) auf der Pan American Conference of Unsaturated Soils gehaltener Vortrag mit dem Titel "Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab" zeigt, wie gut die mit dem kalibrierten Matrixpotentialsensor TEROS 21 und denBodenfeuchtesensoren von METER Gegenüberstellung in situ erzeugten SWCCs mit den im Labor erstellten Kurven übereinstimmen. Feld- und Labor-SWCCs waren recht gut vergleichbar, aber einige Faktoren schmälerten ihre Übereinstimmung. Bei grob strukturierten Böden führte das Entfernen lebender Wurzeln zu einer Divergenz, da der Bodensog zunahm, und intakte Kernproben schnitten besser ab als gestörte. In feiner strukturierten Böden waren die Vergleiche günstig, wurden aber auch beeinträchtigt, wenn die Laborproben gestört waren. Die Daten deuten darauf hin, dass kollokierte In-situ-Sensoren eine wichtige Ergänzung zu den Labordaten für die Entwicklung einer breiten Palette von SWCCs darstellen könnten, um ein robusteres Verständnis des ungesättigten Bodenverhaltens zu schaffen.
Mischen, anpassen und Gegenüberstellung hydraulische Leitfähigkeit im Labor oder auf dem Feld
Ähnlich wie Labor- und In-situ-Messungen Retentionskurven können Labor- und Feldmessungen der gesättigten und ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit zusammen verwendet werden, um ein tieferes Verständnis der hydraulischen Eigenschaften eines Bodentyps zu gewinnen. Der Vergleich dieser Messungen in verschiedenen Tiefen und an verschiedenen Orten kann Einblicke in verschiedene Bodenhorizonte geben und Forschern helfen, langfristige Infiltrationsdaten von jedem dieser Horizonte zu verstehen (d.h. wenn ein Horizont gesättigt wird, wie verändert sich dann ein Modell für den Abfluss?)
Wissenschaftler können mit Feldinstrumenten bestimmen, wie das Wasser im Feld infiltriert, und sie können Labormessungen hinzufügen, um den am stärksten begrenzenden Horizont zu identifizieren. Ein Oberflächenhorizont kann zum Beispiel ein sandiger Lehm sein, aber die PARIO könnte zeigen, dass eine tiefere Schicht einen höheren Tongehalt mit geringerer hydraulischer Leitfähigkeit aufweist. Mit Hilfe von Labor- und Feldmessungen lässt sich feststellen, welcher Horizont die Ursache für die geringere Durchlässigkeit in feuchten Perioden ist.
Die Daten zur gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit im Feld aus dem SATURO können ergänzt werden mit KSAT Labormessungen ergänzt werden. Ungesättigte hydraulische Leitfähigkeitsdaten aus dem Feld, die mit dem Mini Disk Infiltrometer können auf einer tieferen Ebene verstanden werden, wenn ein Forscher sie mit HYPROP ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeitsdaten aus dem Labor kombiniert. HYPROP verwendet dieselben internen Tensiometer, die Feuchtigkeitsfreisetzungskurven erzeugen, um automatisch die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit zu messen und dann die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit zu modellieren. Normalerweise stimmen Labor- und Feldmessungen aufgrund von Schwankungen in der Realität nicht überein, aber die gemeinsame Analyse der Informationen bietet einen besseren Einblick.
Erfahren Sie mehr über die Kombination der hydraulischen Leitfähigkeit mit anderen Messungen
Was Ihnen eine hydraulische Leitfähigkeitskurve verrät
Forscher können auch die Daten der hydraulischen Leitfähigkeit von zwei Laborgeräten, dem KSAT und dem HYPROP, kombinieren, um eine vollständige hydraulische Leitfähigkeitskurve zu erstellen (Abbildung 2). Eine hydraulische Leitfähigkeitskurve gibt Ihnen bei einem bestimmten Wasserpotenzial Auskunft über die Fähigkeit des Bodens, Wasser zu leiten (d.h., wie viel Wasser kann von der Oberseite einer Probe [oder Bodenschicht im Feld] bis zur Unterseite fließen, wenn der Boden trocknet). Diese Kurven werden bei der Modellierung verwendet, um zu veranschaulichen oder vorherzusagen, was mit dem Wasser passiert, das sich bei schwankenden Feuchtigkeitsbedingungen in einem Bodensystem bewegt.
mehr erfahren über hydraulische Leitfähigkeitskurven
In dem folgenden Video erklärt Leo Rivera, Experte für Bodenfeuchtigkeit, die Grundlagen der hydraulischen Leitfähigkeit und der hydraulischen Leitfähigkeitskurven.
Mehr Instrumente schaffen eine Sinfonie der Daten
Die Messung eines einzelnen Parameters, wie z.B. des Wassergehalts, kann Forschern einen Ausgangspunkt für das Verständnis ihres Bodens liefern, aber sie werden nicht verstehen, was dieser Prozentsatz an Wasser ihnen sagt, wenn sie nicht auch andere Informationen, wie z.B. den Bodentyp, das Wasserpotenzial oder die hydraulische Leitfähigkeit kennen. Um einen möglichst tiefen Einblick in den Boden zu erhalten, können Forscher die Partikelgrößenverteilung, die Kurven der hydraulischen Leitfähigkeit und die Kurven der Feuchtigkeitsabgabe zusammen verwenden, um die genauesten und umfassendsten Informationen zu erhalten. Die Verwendung von zwei verschiedenen Arten von Kurven kann Forschern sogar helfen, unklare Probleme zu isolieren, wie z.B. eine doppelt poröse Feuchtigkeitsabgabekurve in einem bodenlosen Substrat. Die gemeinsame Verwendung von Labor- und Feldinstrumenten kann Forschern eine Symphonie von Informationen liefern und als leistungsstarkes Werkzeug zum Verständnis von Daten und zur Vorhersage des Verhaltens eines Bodens im Laufe der Zeit eingesetzt werden.
Nehmen Sie an unserem Profikurs für Bodenfeuchtigkeit teil
In sechs kurzen Videos erfahren Sie alles, was Sie über den Wassergehalt und das Wasserpotenzial des Bodens wissen müssen - und warum Sie sie zusammen messen sollten. Außerdem lernen Sie die Grundlagen der hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens kennen.
Haben Sie Fragen?
Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre.
Einblicke in die Messung
Bodenfeuchtesensor: Welcher Bodensensor ist der richtige für Sie?
Unter den Tausenden von begutachteten Veröffentlichungen, in denen METER-Bodensensoren verwendet werden, kristallisiert sich kein Typ als Favorit heraus. Die Wahl des Sensors sollte daher von Ihren Bedürfnissen und Ihrer Anwendung abhängen. Nutzen Sie diese Überlegungen, um den perfekten Sensor für Ihre Forschung zu finden.
Was ist Bodenfeuchtigkeit? Die Wissenschaft hinter der Messung
Die meisten Menschen betrachten die Bodenfeuchtigkeit nur als eine Variable - den Wassergehalt. Aber es sind zwei Arten von Variablen erforderlich, um den Zustand des Wassers im Boden zu beschreiben.
Fallstudien, Webinare und Artikel, die Ihnen gefallen werden
Erhalten Sie regelmäßig die neuesten Inhalte.