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.
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 Bodenfeuchteabgabekurve 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 1 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.
Um Retentionskurven zu verstehen, 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. Aber es sind 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) der Materie oder Energie. Und die intensive Variable beschreibt die Intensität (oder Qualität) der Materie oder Energie.
| Umfangreiche Variable | Intensiv Variabel |
|---|---|
| Band | Dichte |
| Wassergehalt | Wasserpotenzial |
| Wärmegehalt | Temperatur |
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 2 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.
Ähnlich wie die Wärme ist auch der Wassergehalt des Bodens nur ein Wert. Er sagt nichts darüber aus, wie sich das Wasser bewegen wird oder wie wohl sich eine Pflanze fühlt (pflanzenverfügbares Wasser). Aber das Wasserpotenzial des Bodens, die intensive Variable, sagt die Verfügbarkeit und die Bewegung des Wassers voraus. Und wie?
Verfügbares Wasser der Pflanze: Die Messung des Wasserpotenzials gibt einen klaren Hinweis auf das verfügbare Wasser der Pflanzen, und im Gegensatz zum Wassergehalt gibt es eine einfache Referenzskala - das optimale Pflanzenwachstum reicht von etwa -2-5 kPa, was auf der sehr feuchten Seite liegt, bis zu etwa -100 kPa, dem trockeneren Ende des Optimums. 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 Verwelken.
Wasserbewegung: Das Wasser im Boden bewegt sich immer von einem hohen zu einem niedrigen Wasserpotenzial. Wenn das Wasserpotenzial eines Bodens beispielsweise -50 kPa beträgt, bewegt sich das Wasser in Richtung der Bodenschicht mit einem negativeren -100 kPa.
Dies entspricht auch in etwa dem, was im Kontinuum Pflanze-Boden-Atmosphäre passiert. 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 werden. Dann wandert das Wasser durch das Xylem nach oben und durch die Blätter über dieses Potenzialgefälle hinaus. Die Atmosphäre mit -100 MPa treibt diesen Gradienten an. Das Wasserpotenzial bestimmt also, in welche Richtung sich das Wasser im System bewegt.
mehr erfahren über den Wassergehalt
Laden Sie den "Leitfaden für Forscher zum Thema Wasserpotenzial" herunter
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 und der TEROS 32 ist ein wartungsarmes Tensiometer, das ebenfalls das Wasserpotential misst.
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
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 bewegt. Wenn es sich bei den drei Böden in Abbildung 5 beispielsweise um verschiedene Bodenhorizontschichten mit einem Wassergehalt von 15 % handelt, würde sich das Wasser im lehmigen Feinsand in Richtung der feinen sandigen Lehmschicht bewegen, da diese ein negativeres Wasserpotenzial aufweist.
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 6 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 7 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.
Sobald die Informationen aus einer Freisetzungskurve gewonnen sind, können Sie mit dem DatenloggerZL6 von METER und ZENTRA Cloud vereinfachen den Prozess der Aufrechterhaltung eines optimalen Feuchtigkeitsniveaus. Obere und untere Grenzwerte können auf 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 das Wasser ein- und ausgeschaltet werden muss. Es werden sogar automatisch Warnungen verschickt, wenn diese Grenzwerte erreicht oder überschritten werden.
mehr erfahren über die Verbesserung der Bewässerung mit Bodenfeuchtigkeit
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.
Durch die gleichzeitige Verwendung von Wasserpotentialsensoren und Bodenfeuchtesensoren an Ort und Stelle kann die Wissensbasis eines Forschers um viele weitere Feuchtigkeitsabgabekurven erweitert werden. Und da geotechnische Ingenieure und Bewässerungswissenschaftler in erster Linie das Verhalten von ungesättigten Böden an Ort und Stelle untersuchen, wäre es ideal, die im Labor erstellten Kurven durch In-situ-Messungen zu ergänzen.
Im folgenden Webinar fasst Dr. Colin Campbell, METER-Forschungswissenschaftler, einen kürzlich auf der Pan American Conference of Unsaturated Soils gehaltenen Vortrag zusammen. Der Beitrag "Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab" von Campbell et al. (2018) zeigt, wie gut die mit dem kalibrierten Matrixpotentialsensor TEROS 21 und den Wassergehaltssensoren von METER Gegenüberstellung in situ erzeugten SWCCs mit denen aus dem Labor übereinstimmen.
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. Im folgenden Video gibt der Bodenfeuchtigkeitsexperte Leo Rivera genauere Informationen darüber, wie Sie eine Feuchtigkeitsabgabekurve verwenden können, um das individuelle Verhalten des Bodens in Bezug auf Wasser zu analysieren.
Alles, was Sie über die Messung der Bodenfeuchtigkeit wissen müssen - alles an einem Ort.
Laden Sie den vollständigen Leitfaden des Forschers zur Bodenfeuchtigkeit herunter
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.
Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre.
TDR, FDR, Kapazität, Widerstand: Ein Vergleich gängiger Methoden zur Messung der Bodenfeuchte, ihre Vor- und Nachteile und ihre einzigartigen Anwendungen.
TEROS Sensoren sind langlebiger, genauer, einfacher und schneller zu installieren, konsistenter und mit einem leistungsstarken, intuitiven System zur Datenprotokollierung und -visualisierung in nahezu Echtzeit verbunden.
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.
Erhalten Sie regelmäßig die neuesten Inhalte.