CONTRIBUENTI

PERCHÉ MISURARE IL POTENZIALE IDRICO?

Un ecologo ha installato una vasta rete di sensori di umidità del suolo per studiare l'effetto dell'orientamento dei pendii sull'acqua disponibile per le piante. Ha raccolto moltissimi dati sull'umidità del suolo, ma alla fine si è sentito frustrato perché non riusciva a capire quanta acqua fosse disponibile per le piante.

Non è il solo a sentirsi frustrato. Sensori di umidità del suolo accurati e poco costosi hanno reso l'umidità del suolo una misura giustamente popolare, ma come molti hanno scoperto, un buon martello non rende ogni problema idrico del suolo un chiodo. Il contenuto d'acqua può solo indicare quanta acqua c'è. La conducibilità idraulica indica la velocità di movimento dell'acqua. Ma il potenziale idrico indica se l'acqua è disponibile per le piante, se si muoverà e dove andrà.

Le variabili intensive non cambiano in base alle dimensioni o alla situazione.

Per capire il potenziale idrico e perché ne avete bisogno, è necessario spiegare le proprietà estensive e intensive. La maggior parte delle persone considera l'umidità del suolo solo in termini di una variabile: il contenuto d'acqua del suolo. Ma per descrivere lo stato della materia o dell'energia nell'ambiente sono necessari due tipi di variabili. Una variabile estensiva descrive l'estensione (o la quantità) di materia o energia. La variabile intensiva descrive l'intensità (o la qualità) della materia o dell'energia.

Tabella 1. Esempi di variabili estensive e intensive

Il contenuto idrico del suolo è una variabile estesa. Descrive la quantità di acqua presente nell'ambiente. Il potenziale idrico del suolo è una variabile intensiva. Descrive l'intensità o la qualità (e nella maggior parte dei casi la disponibilità) dell'acqua nell'ambiente. Per capire come funziona, si pensi alle variabili estensive e intensive in termini di calore. Il contenuto di calore (una variabile estensiva) descrive la quantità di calore immagazzinata in una stanza. La temperatura (una variabile intensiva) descrive la qualità (livello di comfort) o il modo in cui il corpo percepisce il calore in quella stanza.

La figura 1 mostra una grande nave nell'Artico e un'auto elettrica che è stata appena riscaldata in un fuoco. Quale di questi due oggetti ha un contenuto di calore più elevato? È interessante notare che la nave nell'Artico ha un contenuto di calore superiore a quello dell'asta calda, ma è l'asta ad avere una temperatura più alta. Se mettiamo la canna calda a contatto con la nave, quale variabile regola il flusso di energia? La variabile intensiva, la temperatura, regola il movimento dell'energia. Il calore si sposta sempre da una temperatura alta a una bassa.

Per saperne di più sulle variabili intensive e estensive.

Il contenuto d'acqua non predice il modo in cui l'acqua si muove

Come il contenuto di calore, anche il contenuto d'acqua è una quantità. È una variabile estesa. Cambia in base alle dimensioni e alla situazione. Considerate i seguenti paradossi:

• Un terreno con un contenuto volumetrico d'acqua piuttosto basso può avere molta acqua disponibile per le piante, mentre un terreno con un elevato contenuto d'acqua può non averne quasi per niente.
• La gravità trascina l'acqua verso il basso attraverso il profilo, ma l'acqua si sposta verso l'alto nel terreno da una falda freatica.
• Due zone adiacenti di terreno in equilibrio possono avere un contenuto d'acqua significativamente diverso.

In questi e in molti altri casi, i dati sul contenuto d'acqua sono confusi perché non predicono come l'acqua si muove. Il potenziale idrico misura lo stato energetico dell'acqua e quindi spiega realtà di movimento dell'acqua che altrimenti sfidano l'intuizione. Proprio come la temperatura definisce il livello di comfort di un essere umano, il potenziale idrico definisce il livello di comfort di una pianta. Se si conosce il potenziale idrico, è possibile prevedere se le piante cresceranno bene o saranno stressate in qualsiasi ambiente.

Come il potenziale idrico definisce il livello di comfort di una pianta

Il contenuto d'acqua non è un indicatore del "benessere" delle piante perché il terreno, l'argilla, la sabbia, il terriccio e altri supporti trattengono l'acqua in modo diverso. Immaginate una sabbia con un contenuto d'acqua del 30%. A causa della sua scarsa superficie, la sabbia sarà troppo umida per una crescita ottimale delle piante, minacciando una mancanza di aerazione delle radici e sfiorando la saturazione. Considerate ora un'argilla a struttura fine con lo stesso contenuto d'acqua del 30%. L'argilla può sembrare solo umida, ma è ben al di sotto del "comfort" ottimale per una pianta, perché la superficie dell'argilla lega l'acqua e la rende meno disponibile per la pianta.

Le misurazioni del potenziale idrico indicano chiaramente l'acqua disponibile per le piante e, a differenza del contenuto d'acqua, esiste una scala di riferimento semplice: l'optimum delle pianteva da circa -2 a 5 kPa, che è sul lato molto umido, fino a circa -100 kPa, all'estremità più secca dell'optimum. Al di sotto di questa soglia, le piante sono in deficit, mentre oltre i -1000 kPa iniziano a soffrire. A seconda della pianta, i potenziali idrici inferiori a -1000-2000 kPa causano un appassimento permanente. La Tabella 1 illustra la scala di riferimento semplice per alcuni tipi di colture. Le piante non subiscono stress e producono di più se vengono mantenute all'interno di questo intervallo di potenziale idrico.

La maggior parte delle applicazioni richiede sia il potenziale idrico che il contenuto d'acqua

Sebbene il potenziale idrico sia un indicatore migliore dell'acqua disponibile per le piante rispetto al contenuto idrico, nella maggior parte delle situazioni è utile utilizzare sia i sensori di potenziale idrico che quelli di umidità del suolo.

La misurazione dell'intensità del potenziale idrico non si traduce direttamente nella quantità di acqua immagazzinata o necessaria. Le informazioni sul contenuto d'acqua sono necessarie anche in applicazioni come la gestione dell'irrigazione e gli studi sul bilancio idrico. Per ulteriori informazioni, leggere: "Quando irrigare: la doppia misurazione risolve il mistero".

Guardare il potenziale dell'acqua 101

In questo webinar, il Dr. Doug Cobos distingue il potenziale idrico dal contenuto idrico, discute la teoria, l'applicazione e i componenti chiave del potenziale idrico, nonché le implicazioni del potenziale idrico per i ricercatori e la gestione dell'irrigazione.

UNA DEFINIZIONE DI POTENZIALE IDRICO

Il potenziale idrico è l'energia necessaria, per quantità d'acqua, per trasportare una quantità infinitesimale di acqua dal campione a un bacino di riferimento di acqua libera pura. Per capire cosa significa, confrontate l'acqua di un campione di terreno con quella contenuta in un bicchiere. L'acqua nel bicchiere è relativamente libera e disponibile; l'acqua nel suolo è legata a superfici diluite da soluti e sotto pressione o tensione. Di fatto, l'acqua del suolo ha uno stato energetico diverso dall'acqua "libera". L'acqua libera può essere raggiunta senza esercitare alcuna energia. L'acqua del suolo può essere estratta solo spendendo energia. Il potenziale idrico del suolo esprime quanta energia si dovrebbe spendere per estrarre l'acqua dal campione di terreno.

Il potenziale idrico del suolo è una proprietà differenziale. Affinché la misurazione abbia un significato, è necessario specificare un riferimento. Il riferimento tipicamente specificato è l'acqua pura e libera alla superficie del suolo. Il potenziale idrico di questo riferimento è pari a zero. Il potenziale idrico nell'ambiente è quasi sempre inferiore a zero, perché è necessario aggiungere energia per far uscire l'acqua.

Il potenziale idrico risponde a due domande chiave

1. Movimento dell'acqua

L'acqua fluirà sempre da un alto potenziale a un basso potenziale. Questa è la seconda legge della termodinamica: l'energia scorre lungo il gradiente della variabile intensiva. L'acqua si sposterà da una posizione a più alta energia a una a più bassa energia finché le posizioni non raggiungeranno l'equilibrio, come illustrato nella Figura 3. Ad esempio, se il potenziale idrico di un terreno fosse di -50 kPa, l'acqua si sposterebbe verso il valore più negativo di -100 kPa per diventare più stabile.

2. Disponibilità idrica della pianta

L'acqua liquida si sposta dal suolo alle radici, attraverso lo xilema delle piante, fino alle foglie e infine evapora nelle cavità substomatiche della foglia. La forza motrice di questo flusso è un gradiente di potenziale idrico. Pertanto, affinché l'acqua possa fluire, il potenziale idrico della foglia deve essere inferiore a quello del suolo. Nella Figura 4, il suolo è a -0,3 MPa e le radici sono leggermente più negative, a -0,5 MPa. Ciò significa che le radici tirano su l'acqua dal terreno. Poi l'acqua salirà attraverso lo xilema e uscirà dalle foglie. L'atmosfera, a -100 MPa, è il motore di questo gradiente.

Gli irrigatori e gli scienziati utilizzano i sensori di potenziale idrico insieme ai sensori di contenuto idrico per capire la disponibilità idrica delle piante. Nella Figura 5 è possibile osservare dove il contenuto d'acqua diminuisce e a quale percentuale le piante iniziano a stressarsi. È anche possibile riconoscere quando il terreno ha troppa acqua: il contenuto d'acqua è superiore al punto in cui i sensori di potenziale idrico iniziano a percepire lo stress delle piante. Utilizzando queste informazioni, i ricercatori possono identificare l'intervallo ottimale per le piante tra il 12% e il 17% di contenuto volumetrico d'acqua. Qualsiasi cosa al di sotto o al di sopra di questo intervallo sarà troppo poca o troppa acqua.

Per saperne di più su come il potenziale idrico del suolo indica la disponibilità idrica delle piante, leggete "Quando irrigare: La doppia misurazione risolve il mistero".

Nomi, intervalli e unità del potenziale idrico

La Figura 6 illustra che esistono diversi strumenti per il potenziale idrico che misurano diversi intervalli. Guardate il video per vedere come è possibile combinare gli strumenti METER LABROS per misurare l'intera gamma del potenziale idrico del suolo. Per saperne di più su come si misura il potenziale idrico e su quali strumenti si usano per quale scopo , vedere qui.

Il potenziale idrico è spesso chiamato tensione idrica, aspirazione del suolo e pressione dell'acqua dei pori del suolo. Per descrivere il potenziale idrico del suolo si utilizzano generalmente unità di pressione, come megapascal (MPa), kilopascal (kPa), bar, metri (_mH2O), centimetri (_cmH2O) o millimetri d'acqua (_mmH2O).

Il potenziale dell'acqua è misurato in energia per unità di massa, quindi l'unità di misura ufficiale dovrebbe essere il joule per chilogrammo, ma se si tiene conto della densità dell'acqua, l'unità di misura diventa il kilopascal, quindi di solito lo descriviamo usando l'unità di misura della pressione.

Componenti del potenziale idrico

Il potenziale idrico totale è la somma di quattro diverse componenti.

• Potenziale matriciale: Il legame dell'acqua con le superfici
• Potenziale osmotico: Legame con i soluti presenti nell'acqua
• Potenziale gravitazionale: La posizione dell'acqua in un campo gravitazionale.
• Potenziale di pressione: pressione idrostatica o pneumatica sull'acqua.

Come calcolare il potenziale idrico

Il potenziale idrico del suolo è la somma di quattro diverse componenti: potenziale gravitazionale + potenziale matrico + potenziale di pressione + potenziale osmotico (Equazione 1).

Il potenziale matriciale è il componente più significativo per quanto riguarda il suolo perché si riferisce all'acqua che aderisce alle superfici del suolo. Nella Figura 7, il potenziale matriciale è quello che crea la pellicola d'acqua che aderisce alle particelle del suolo. Quando l'acqua drena dal suolo, gli spazi dei pori pieni d'aria diventano più grandi e l'acqua si lega più strettamente alle particelle del suolo, mentre il potenziale matrico diminuisce.

Potenziale matricolare

Il potenziale matriciale deriva dal fatto che l'acqua è attratta dalla maggior parte delle superfici attraverso il legame idrogeno e le forze di van der Waals. Il suolo è composto da piccole particelle che offrono molte superfici in grado di legare l'acqua. Questo legame dipende molto dal tipo di terreno. Ad esempio, un terreno sabbioso ha particelle grandi che forniscono meno siti di legame superficiale, mentre un terreno limoso ha particelle più piccole e più siti di legame superficiale.

Guardate il video qui sotto per visualizzare il potenziale matriciale in azione.

La figura seguente, che mostra le curve di rilascio dell'umidità per tre diversi tipi di terreno, dimostra l'effetto dell'area superficiale. La sabbia, che contiene il 10% di acqua, ha un potenziale matrico elevato e l'acqua è prontamente disponibile per gli organismi e le piante. Il limo, che contiene il 10% di acqua, ha un potenziale matrico molto più basso e l'acqua è molto meno disponibile.

Il potenziale matriciale è sempre negativo o nullo ed è la componente più significativa del potenziale idrico del suolo in condizioni insature.

Per saperne di più sulle curve di rilascio dell'umidità e sulla relazione tra il potenziale idrico del suolo e il suo contenuto idrico , consultate il sito.

I tensiometri e TEROS 21 sono entrambi sensori del potenziale idrico del suolo che misurano il potenziale matriciale in campo. Per sapere quale sensore di potenziale idrico in campo è adatto alla vostra applicazione, leggete "Quale sensore del terreno è perfetto per voi?".

Potenziale osmotico

Il potenziale osmotico descrive la diluizione e il legame dell'acqua con i soluti in essa disciolti. Anche questo potenziale è sempre negativo.

Il potenziale osmotico influisce sul sistema solo se esiste una barriera semipermeabile che blocca il passaggio dei soluti. Questa situazione è abbastanza comune in natura. Ad esempio, le radici delle piante permettono il passaggio dell'acqua ma bloccano la maggior parte dei soluti. Anche le membrane cellulari formano una barriera semipermeabile. Un esempio meno ovvio è l'interfaccia aria-acqua, dove l'acqua può passare nell'aria in fase di vapore, ma i sali vengono lasciati indietro.

È possibile calcolare il potenziale osmotico in base alla seguente equazione, se si conosce la concentrazione del soluto nell'acqua

Dove C è la concentrazione del soluto (mol/kg), ɸ è il coefficiente osmotico (da -0,9 a 1 per la maggior parte dei soluti), v è il numero di ioni per mol (NaCl= 2, _CaCl2 = 3, saccarosio = 1), R è la costante dei gas e T è la temperatura Kelvin.

Il potenziale osmotico è sempre negativo o nullo ed è significativo nelle piante e in alcuni terreni salini.

Potenziale gravitazionale

Il potenziale gravitazionale deriva dalla posizione dell'acqua in un campo gravitazionale. Può essere positivo o negativo, a seconda di dove ci si trova rispetto al riferimento specificato di acqua pura e libera alla superficie del suolo. Il potenziale gravitazionale è quindi

Dove G è la costante gravitazionale (9,8 m ^s-2) e H è la distanza verticale dall'altezza di riferimento alla superficie del suolo (l'altezza specificata).

Potenziale di pressione

Il potenziale di pressione è una pressione idrostatica o pneumatica che viene applicata o tirata sull'acqua. Si tratta di un effetto più macroscopico che agisce su una regione più ampia del sistema.

Esistono diversi esempi di potenziale pressione positiva nell'ambiente naturale. Ad esempio, sotto la superficie delle acque sotterranee è presente una pressione positiva. Si può sentire questa pressione quando si nuota in un lago o in una piscina. Allo stesso modo, una testa di pressione o un potenziale di pressione positiva si sviluppa quando ci si sposta al di sotto della falda acquifera. La pressione di turgore nelle piante e la pressione sanguigna negli animali sono altri due esempi di potenziale di pressione positiva.

Il potenziale di pressione può essere calcolato da

Dove P è la pressione (_Pa) e_PW è la densità dell'acqua.

Sebbene il potenziale di pressione sia generalmente positivo, esistono casi importanti in cui non lo è. Uno di questi è quello delle piante, dove un potenziale di pressione negativo nello xilema attira l'acqua dal suolo attraverso le radici e le foglie.

Potenziale idrico e umidità relativa

Il potenziale idrico e l'umidità relativa sono correlati dall'equazione di Kelvin. Se si conoscono la temperatura e l'umidità, è possibile calcolare il potenziale idrico utilizzando questa equazione

Dove Ψ è il potenziale idrico (MPa), _HR è l'umidità relativa (senza unità), R è la costante universale dei gas (8,3143 J ^mol-1 K ^-1), _MW è la massa dell'acqua (18,02 g/mol) e T è la temperatura Kelvin.

Che cos'è il potenziale idrico? Punti da ricordare

Potenziale idrico:

• Descrive lo stato energetico dell'acqua nell'ambiente
• Definisce la disponibilità di acqua per gli organismi

Punti chiave:

• L'acqua fluisce sempre da un alto potenziale a un basso potenziale.
• Questa è la seconda legge della termodinamica: l'energia fluisce lungo il gradiente della variabile intensiva.

Trovate qui altre risposte alla domanda "Che cos'è il potenziale idrico": Torna alla pagina principale del potenziale idrico o Parla con un esperto dell'uso del potenziale idrico nella tua applicazione.

Riferimenti al potenziale idrico del suolo per ulteriori studi

Kirkham, Mary Beth. Principi delle relazioni idriche del suolo e delle piante. Academic Press, 2014. Link al libro

Taylor, Sterling A. e Gaylen L. Ashcroft. Edafologia fisica. La fisica dei suoli irrigati e non irrigati. 1972. Link al libro

Hillel, Daniel. Fondamenti di fisica del suolo. Academic press, 2013. Link al libro

Dane, Jacob H., G. C. Topp e Gaylon S. Campbell. Metodi di analisi del suolo metodi fisici. N. 631.41 S63/4. 2002.

Guarda il potenziale dell'acqua 201

Il webinar del Dr. Colin Campbell "Il potenziale idrico 201: Choosing the Right Instrument" tratta la teoria degli strumenti per il potenziale idrico, comprese le sfide della misurazione del potenziale idrico e come scegliere e utilizzare i vari strumenti per il potenziale idrico.

QUALE METODO DI POTENZIALE IDRICO È PIÙ ADATTO A VOI?

Esistono essenzialmente solo due metodi di misurazione del potenziale idrico: i tensiometrie i metodi di pressione del vapore. I tensiometri lavorano nel campo dell'umido: itensiometri speciali che ritardano il punto di ebollizione dell'acqua hanno un campo da 0 a circa -0,2 MPa. I metodi di pressione del vapore lavorano nell'intervallo secco, da circa -0,1 MPa a -300 MPa (0,1 MPa corrisponde al 99,93% di UR; -300 MPa corrisponde all'11%).

Storicamente, questi intervalli non si sovrapponevano, ma i recenti progressi nella tecnologia dei tensiometri e dei sensori di temperatura hanno cambiato le cose. Ora, un utente esperto con metodi eccellenti e le migliori attrezzature può misurare l'intera gamma di potenziale idrico in laboratorio.

Tuttavia, ci sono motivi per prendere in considerazione metodi di misurazione secondari. I metodi di pressione del vapore non sono utili in situ e l'accuratezza del tensiometro deve essere ripagata con una manutenzione costante e accurata (sebbene sia disponibile una versione auto-riempita del tensiometro).

Inoltre, esistono metodi tradizionali come i blocchi di gesso, le piastre a pressione e la carta da filtro che devono essere compresi. Questa sezione illustra brevemente i punti di forza e i limiti di ciascun metodo.

Piastre di pressione

La piastra di pressione è stata introdotta negli anni '30 da L.A. Richards. Non misura effettivamente il potenziale idrico di un campione. Invece, porta il campione a un potenziale idrico specifico applicando una pressione al campione e permettendo all'acqua in eccesso di fuoriuscire attraverso una piastra di ceramica porosa. Quando il campione raggiunge l'equilibrio, il suo potenziale idrico sarà equivalente alla pressione applicata.

Le piastre di pressione sono tipicamente utilizzate per creare le curve caratteristiche di umidità del suolo. Una volta che i campioni di terreno raggiungono uno specifico potenziale idrico sotto pressione, il ricercatore può rimuovere il campione dalla piastra e asciugarlo per misurarne il contenuto d'acqua. La caratteristica di umidità del suolo può essere prodotta effettuando queste misurazioni a diverse pressioni nell'apparecchio a piastra pressurizzata.

L'accuratezza delle piastre di pressione è importante, perché spesso vengono utilizzate per calibrare altri metodi di misura secondari.

Le piastre di pressione hanno problemi di equilibrio

Per realizzare una curva di rilascio dell'umidità accurata con una piastra di pressione, è necessario assicurarsi che il campione abbia raggiunto completamente l'equilibrio alla pressione designata. Diversi recensori, tra cui Gee et. al (2002), Cresswell et. al (2008) e Bittelli e Flury (2009) hanno rilevato problemi con questo presupposto.

Gli errori, soprattutto a bassi potenziali idrici, possono essere causati dall'ostruzione dei pori nella ceramica della piastra di pressione, dalla restrizione del flusso all'interno del campione, dalla perdita di contatto idraulico tra la piastra e il terreno a causa del ritiro del suolo e dal riassorbimento dell'acqua quando la pressione sulla piastra viene rilasciata. A bassi potenziali idrici, le basse conducibilità idrauliche possono far sì che l'equilibrio richieda settimane o addirittura mesi. Gee et al. (2002) hanno misurato i potenziali idrici di campioni equilibrati per 9 giorni su piastre di pressione a 15 bar e hanno scoperto che erano a -0,5 MPa invece che a -1,5 MPa come previsto. Soprattutto quando si costruisce una curva di rilascio dell'umidità per stimare la conducibilità idraulica e determinare l'acqua disponibile per le piante, le misurazioni delle piastre di pressione a potenziali inferiori a -0,1 MPa (-1 bar) possono causare errori significativi (Bittelli e Flury, 2009).

Inoltre, Baker e Frydman (2009) stabiliscono teoricamente che la matrice del suolo drena in modo diverso sotto una pressione positiva rispetto all'aspirazione. Essi ipotizzano che i contenuti idrici di equilibrio raggiunti con l'aspirazione saranno significativamente diversi da quelli che si verificano in condizioni naturali. L'evidenza aneddotica sembra supportare questa idea, anche se sono necessari ulteriori test. In definitiva, le piastre di pressione possono avere un'accuratezza sufficiente nell'intervallo umido (da 0 a -0,5 MPa) per alcune applicazioni, ma altri metodi possono fornire un'accuratezza migliore, che può essere particolarmente importante quando si utilizzano i dati per la modellazione o la calibrazione.

Metodi di pressione del vapore

L'igrometro del punto di rugiada WP4C è uno dei pochi strumenti disponibili in commercio che attualmente utilizza questa tecnica. Come i tradizionali psicrometri a termocoppia, l'igrometro a punto di rugiada equilibra un campione in una camera sigillata.

Un piccolo specchio nella camera viene raffreddato finché non inizia a formarsi la rugiada su di esso. Al punto di rugiada, WP4C misura la temperatura dello specchio e del campione con una precisione di 0,001◦C per determinare l'umidità relativa del vapore sopra il campione.

Vantaggi

La versione più recente di questo igrometro del punto di rugiada ha una precisione di ±1% da -5 a -300 MPa ed è anche relativamente facile da usare. Molti tipi di campioni possono essere analizzati in cinque-dieci minuti, anche se i campioni umidi richiedono più tempo.

Limitazioni

Ad alti potenziali dell'acqua, le differenze di temperatura tra la pressione del vapore saturo e la pressione del vapore all'interno della camera del campione diventano minime.

Le limitazioni alla risoluzione della misurazione della temperatura fanno sì che i metodi di pressione del vapore probabilmente non soppianteranno mai i tensiometri.

L'igrometro del punto di rugiada ha un intervallo compreso tra -0,1 e -300 MPa, anche se è possibile effettuare letture oltre -0,1 MPa utilizzando tecniche speciali. I tensiometri rimangono l'opzione migliore per le letture nell'intervallo da 0 a -0,1 MPa.

Tensiometri e tecnica Wind/Schindler

Il HYPROP è uno strumento di laboratorio unico nel suo genere che utilizza il metodo di evaporazione Wind/Schindler per realizzare curve di rilascio dell'umidità su terreni con potenziali idrici nell'intervallo del tensiometro.

Hyprop utilizza due mini-tensiometri di precisione per misurare il potenziale idrico a diversi livelli all'interno di un campione di terreno saturo di 250 ^cm3, mentre il campione è appoggiato su una bilancia da laboratorio. Nel corso del tempo, il campione si asciuga e lo strumento misura contemporaneamente la variazione del potenziale idrico e del peso del campione. Lo strumento calcola il contenuto di umidità dalle misure di peso e traccia le variazioni del potenziale idrico correlate alle variazioni del contenuto di umidità.

I risultati vengono verificati e i valori dell'intervallo secco e della saturazione vengono calcolati in base al modello selezionato (ad esempio, van Genuchten/Mualem, van Genuchten/Mualem bimodale o Brooks e Corey).

Vantaggi

Hyprop ha un'elevata precisione e produce una curva completa di rilascio dell'umidità nell'intervallo umido. La curva richiede da tre a cinque giorni per essere completata, ma lo strumento funziona senza sorveglianza.

Limitazioni

HypropIl campo di misura è limitato dalla gamma dei tensiometri, anche se i mini-tensiometri sono stati utilizzati per misurare oltre i -250 kPa (-0,25 MPa) grazie alla loro caratteristica di ritardo di ebollizione.

Al di sotto di -250 kPa i tensiometri cavitano. Gli utenti più esperti possono aggiungere un punto finale alla curva in corrispondenza del punto di ingresso dell'aria nella tazza del tensiometro in ceramica (-880 kPa; -0,88 MPa).

Tensiometri

Il potenziale idrico, per definizione, è una misura della differenza di energia potenziale tra l'acqua di un campione e quella di un bacino di riferimento di acqua pura e libera. Il tensiometro è una concretizzazione di questa definizione.

Il tubo del tensiometro contiene un serbatoio di acqua libera e teoricamente pura. Questo serbatoio è collegato (attraverso una membrana permeabile) a un campione di terreno. Grazie alla seconda legge della termodinamica, l'acqua si sposta dal serbatoio al terreno finché la sua energia non è uguale su entrambi i lati della membrana. Questo crea un vuoto nel tubo. Il tensiometro utilizza un manometro negativo (un vacuometro) per misurare la forza del vuoto e descrive il potenziale idrico in termini di pressione.

Vantaggi

I tensiometri sono probabilmente il tipo più antico di strumento per il potenziale idrico (il concetto iniziale risale almeno a Livingston nel 1908), ma possono ancora essere molto utili. Infatti, nell'intervallo umido, un tensiometro di alta qualità, usato con competenza, può avere una precisione eccellente.

Limitazioni

La portata del tensiometro è limitata dalla capacità dell'acqua all'interno del tubo di resistere al vuoto. Sebbene l'acqua sia essenzialmente incomprimibile, le discontinuità sulla superficie dell'acqua, come i bordi o la graniglia, forniscono punti di nucleazione in cui i legami forti dell'acqua vengono interrotti e si verifica la cavitazione (ebollizione a bassa pressione). La maggior parte dei tensiometri cavita intorno a -80 kPa, proprio nel mezzo dell'intervallo disponibile per le piante.

Tuttavia, METER Group Ag, in Germania, costruisce tensiometri che sono dei classici moderni grazie alla precisione dell'ingegneria tedesca, alla costruzione meticolosa e alla fanatica attenzione ai dettagli. Questi tensiometri hanno una precisione straordinaria e un intervallo che (con un operatore attento) può arrivare a -250 kPa.

Metodi secondari: capitalizzare la caratteristica di umidità

Il contenuto d'acqua tende a essere più facile da misurare rispetto al potenziale idrico e, poiché i due valori sono correlati, è possibile utilizzare una misurazione del contenuto d'acqua per trovare il potenziale idrico.

Un grafico che mostra come cambia il potenziale idrico quando l'acqua viene adsorbita e desorbita da una specifica matrice del terreno è chiamato caratteristica di umidità o curva di rilascio dell'umidità.

Ogni matrice in grado di trattenere l'acqua ha una caratteristica unica di umidità, unica e distintiva come un'impronta digitale. Nei terreni, anche piccole differenze di composizione e consistenza hanno un effetto significativo sulla caratteristica di umidità.

Alcuni ricercatori sviluppano una caratteristica di umidità per uno specifico tipo di terreno e la utilizzano per determinare il potenziale idrico dalle letture del contenuto d'acqua. I sensori di potenziale matriciale adottano un approccio più semplice, sfruttando la seconda legge della termodinamica.

Sensori di potenziale matriciale

I sensori di potenziale matriciale utilizzano un materiale poroso con caratteristiche di umidità note. Poiché tutti i sistemi energetici tendono all'equilibrio, il materiale poroso raggiungerà l'equilibrio del potenziale idrico con il terreno circostante.

Utilizzando la caratteristica di umidità del materiale poroso, è possibile misurare il contenuto d'acqua del materiale poroso e determinare il potenziale idrico del materiale poroso e del terreno circostante. I sensori di potenziale matriciale utilizzano una varietà di materiali porosi e diversi metodi per determinare il contenuto d'acqua.

La precisione dipende dalla calibrazione personalizzata

Al meglio, i sensori di potenziale matriciale hanno un'accuratezza buona, ma non eccellente. Nel peggiore dei casi, il metodo può solo dire se il terreno sta diventando più umido o più secco. L'accuratezza di un sensore dipende dalla qualità della caratteristica di umidità sviluppata per il materiale poroso e dall'uniformità del materiale utilizzato. Per una buona precisione, il materiale specifico utilizzato deve essere calibrato con un metodo di misurazione primario. La sensibilità di questo metodo dipende dalla velocità con cui il contenuto d'acqua cambia al variare del potenziale idrico. La precisione è determinata dalla qualità della misurazione del contenuto di umidità.

La precisione può essere influenzata anche dalla sensibilità alla temperatura. Questo metodo si basa su condizioni isotermiche, che possono essere difficili da raggiungere. Le differenze di temperatura tra il sensore e il terreno possono causare errori significativi.

Gamma limitata

Tutti i sensori di potenziale matriciale sono limitati dalla conducibilità idraulica: quando il terreno diventa più secco, il materiale poroso impiega più tempo per equilibrarsi. Anche la variazione del contenuto d'acqua diventa piccola e difficile da misurare. Sul lato umido, la portata del sensore è limitata dal potenziale di ingresso dell'aria del materiale poroso utilizzato.

Carta da filtro

Il metodo della carta da filtro è stato sviluppato negli anni '30 dagli scienziati del suolo come alternativa ai metodi allora disponibili. Come mezzo poroso viene utilizzato un tipo specifico di carta da filtro (Whitman No. 42 Ashless). I campioni vengono equilibrati con il mezzo filtrante. I campioni vengono equilibrati con la carta da filtro in una camera sigillata a temperatura costante. Il contenuto d'acqua gravimetrico della carta da filtro viene determinato utilizzando un forno di essiccazione e il potenziale idrico viene dedotto dalla curva caratteristica di umidità predeterminata della carta da filtro. Deka et al. (1995) hanno rilevato che sono necessari almeno 6 giorni per un'equilibratura completa.

Gamma

L'intervallo della carta da filtro è comunemente accettato fino a -100 MPa se si lascia che l'equilibrio sia completo. Tuttavia, come illustrato, gli errori dovuti ai gradienti di temperatura diventano eccezionalmente grandi a potenziali dell'acqua prossimi allo zero.

Questo metodo è economico e semplice, ma non è accurato. Richiede condizioni isotermiche, che possono essere difficili da ottenere. Piccole variazioni di temperatura possono causare errori significativi.

Sensori di potenziale matriciale disponibili in commercio

Blocchi di gesso: economici e semplici

I blocchi di gesso sono spesso utilizzati come semplici indicatori di eventi irrigui. I blocchi di gesso misurano la resistenza elettrica di un blocco di gesso in risposta ai cambiamenti del terreno circostante. La resistenza elettrica è proporzionale al potenziale idrico.

Vantaggi

I blocchi di gesso sono incredibilmente economici e abbastanza facili da usare.

Svantaggi

Le letture dipendono dalla temperatura e hanno una precisione molto bassa. Inoltre, il gesso si dissolve nel tempo, soprattutto nei terreni salini, e perde le sue proprietà di calibrazione. I blocchi di gesso indicano l'umidità o la secchezza, ma non molto di più.

Sensori matriciali granulari: facili ed economici, ma di precisione limitata

Come i blocchi di gesso, i sensori matriciali granulari misurano la resistenza elettrica in un mezzo poroso. Al posto del gesso, utilizzano quarzo granulare circondato da una membrana sintetica e da una rete protettiva in acciaio inossidabile.

Vantaggi

Rispetto ai blocchi di gesso, i sensori matriciali granulari durano più a lungo e funzionano anche in condizioni di terreno più umido. Le prestazioni possono essere migliorate misurando e compensando le variazioni di temperatura.

Svantaggi

Le misure dipendono dalla temperatura e hanno una bassa precisione. Inoltre, anche con un buon contatto suolo-sensore, i sensori matriciali granulari hanno problemi di riumidificazione dopo essersi equilibrati a condizioni molto secche, perché l'acqua ha una capacità ridotta di entrare nel mezzo grossolano della matrice granulare da un terreno fine. La portata è limitata sul lato umido dal potenziale di ingresso dell'aria nella matrice. I sensori matriciali granulari possono iniziare a misurare il contenuto/potenziale d'acqua solo quando i pori più grandi della matrice iniziano a drenare. Inoltre, questi sensori utilizzano un pellet di gesso, che si dissolve nel tempo, dando una scarsa stabilità a lungo termine.

Sensori a base ceramica

I sensori a base ceramica utilizzano un disco di ceramica come mezzo poroso. La qualità del sensore dipende dalle qualità specifiche della ceramica.

La precisione è limitata dal fatto che ogni disco ha una caratteristica di umidità piuttosto unica. L'uniformità del materiale ceramico consente di ottenere una maggiore accuratezza, ma limita significativamente la gamma. La calibrazione personalizzata di ogni singolo sensore migliora notevolmente l'accuratezza, ma richiede molto tempo. Le recenti innovazioni nella tecnica di calibrazione potrebbero offrire migliori opzioni di calibrazione commerciale.

La portata è limitata sul lato bagnato dal potenziale di ingresso dell'aria nella ceramica. I sensori basati sulla ceramica possono iniziare a misurare il contenuto/potenziale d'acqua solo quando i pori più grandi della ceramica iniziano a drenare. Sul secco, la portata è limitata dalla porosità totale contenuta nei piccoli pori che si svuotano a bassi potenziali d'acqua.

Due tipi:

Sensore di dissipazione del calore

Il sensore di dissipazione del calore misura il contenuto di umidità della ceramica misurandone la conduttività termica. Utilizzando un cilindro di ceramica contenente un riscaldatore e una termocoppia, misura la temperatura di base, si riscalda per alcuni secondi e poi misura la variazione di temperatura. Tracciando il grafico della variazione di temperatura rispetto al tempo logico, si determina il contenuto di umidità della ceramica. Il contenuto di umidità viene tradotto in potenziale idrico utilizzando la caratteristica di umidità del disco di ceramica. Si noti che, poiché il sensore è riscaldato, deve essere alimentato da un sistema con grandi riserve di energia (ad esempio, un data logger Campbell Scientific o equivalente).

Precisione

A meno che non sia calibrato individualmente, il sensore di dissipazione del calore ha solo una precisione moderata.

Gamma

Sul lato molto secco, la curva di conducibilità termica è molto sensibile e ciò conferisce ai sensori di dissipazione del calore un'ampia utilità nell'intervallo secco (da -1 a -50 mPa). Sul lato umido, il sensore di dissipazione del calore è limitato dal potenziale di ingresso dell'aria nella ceramica.

Sensore di potenziale matrico dielettrico

I sensori di potenziale matriciale dielettrico misurano la capacità di accumulo di carica di un disco ceramico per determinarne il contenuto d'acqua. Utilizzano quindi la caratteristica di umidità del disco per convertire il contenuto d'acqua in potenziale idrico.

Poiché utilizzano una tecnica dielettrica, i sensori sono altamente sensibili alle piccole variazioni dell'acqua. Come tutti i sensori basati sulla ceramica, i sensori di potenziale matriciale richiedono una calibrazione personalizzata per ottenere una buona precisione.

Vantaggi

I sensori di potenziale matriciale dielettrico sono a bassa potenza e non richiedono manutenzione.

Svantaggi

Senza calibrazione, i sensori hanno una precisione di appena ±40% della lettura. Tuttavia, una recente versione calibrata su misura del sensore promette una precisione di ±10% della lettura.

Altre risorse su come misurare il potenziale idrico

1. Gee, Glendon W., Anderson L. Ward, Z. F. Zhang, Gaylon S. Campbell e J. Mathison. "L'influenza del nonequilibrio idraulico sui dati delle piastre di pressione". Vadose Zone Journal 1, no. 1 (2002): 172-178.
2. Cresswell, H. P., T. W. Green e N. J. McKenzie. "L'adeguatezza delle piastre di pressione per determinare la ritenzione idrica del suolo". Soil Science Society of America Journal 72, no. 1 (2008): 41-49.
3. Bittelli, Marco e Markus Flury. "Errori nelle curve di ritenzione idrica determinate con piastre di pressione". Soil Science Society of America Journal 73, no. 5 (2009): 1453-1460.
4. Baker, Rafael e Sam Frydman. "Meccanica dei terreni insaturi: Revisione critica delle fondazioni fisiche". Engineering Geology 106, no. 1 (2009): 26-39. Link all'articolo.
5. Deka, R. N., M. Wairiu, P. W. Mtakwa, C. E. Mullins, E. M. Veenendaal e J. Townend. "Uso e accuratezza della tecnica della carta da filtro per la misurazione del potenziale matriciale del suolo". European Journal of Soil Science 46, no. 2 (1995): 233-238. Link all'articolo.

Osservare il potenziale idrico 301

Leo Rivera insegna le competenze necessarie per creare una curva caratteristica del suolo-acqua con i dati del tensiometro a umido (HYPROP) e i dati del punto di rugiada a secco (WP4C) che coincidono effettivamente al centro.

Queste tecniche consentono ai ricercatori di spingere i loro strumenti oltre le loro specifiche. Scoprite le problematiche relative a queste misure, compresi gli effetti dell'isteresi e i cambiamenti nei metodi di preparazione dei campioni necessari quando si passa alla gamma umida.

POTENZIALE IDRICO IN AZIONE

Curve di rilascio dell'umidità del suolo

Le curve di rilascio dell'umidità del suolo (chiamate anche curve caratteristiche dell'acqua del suolo o curve di ritenzione idrica del suolo) sono come impronte digitali fisiche, uniche per ogni tipo di suolo. I ricercatori le utilizzano per comprendere e prevedere il destino dell'acqua in un particolare terreno in una specifica condizione di umidità. Le curve di rilascio dell'umidità rispondono a domande cruciali come: a quale tasso di umidità il terreno subirà un appassimento permanente? Per quanto tempo devo irrigare? Oppure l'acqua drena rapidamente attraverso il terreno o viene trattenuta nella zona radicale? Sono strumenti potenti utilizzati per prevedere l'assorbimento dell'acqua da parte delle piante, il drenaggio in profondità, il ruscellamento e altro ancora.

Che cos'è la curva di rilascio dell'umidità del suolo?

Esiste una relazione tra il potenziale idrico e il contenuto volumetrico di acqua che può essere illustrata con un grafico. Insieme, questi dati creano una curva chiamata curva di rilascio dell'umidità del suolo. La forma della curva di rilascio dell'umidità del suolo è unica per ogni terreno. È influenzata da molte variabili, come la tessitura del suolo, la densità apparente, la quantità di materia organica e l'effettiva composizione della struttura dei pori, e queste variabili variano da sito a sito e da suolo a suolo.

La Figura 9 mostra un esempio di curve per tre diversi terreni. Sull'asse X è riportato il potenziale idrico su scala logaritmica e sull'asse Y il contenuto idrico volumetrico. Questa relazione tra il contenuto idrico del suolo e il potenziale idrico (o aspirazione del suolo) consente ai ricercatori di comprendere e prevedere la disponibilità e il movimento dell'acqua in un particolare tipo di suolo. Ad esempio, nella Figura 1 si può notare che il punto di appassimento permanente (linea verticale di destra) sarà a diversi contenuti d'acqua per ogni tipo di terreno. Il terriccio sabbioso fine subirà un appassimento permanente al 5% VWC, mentre il terriccio limoso subirà un appassimento permanente a quasi il 15% VWC.

Da dove provengono i dati della curva di rilascio dell'umidità?

Le curve di rilascio dell'umidità del suolo possono essere realizzate in situ o in laboratorio. In campo, il contenuto d'acqua e il potenziale idrico del suolo vengono monitorati con sensori del terreno.

I sensori dielettrici METER, semplici e affidabili, riportano i dati sull'umidità del suolo quasi in tempo reale direttamente attraverso il data loggerZL6 al sito cloud (ZENTRA Cloud). In questo modo si risparmia un'enorme quantità di lavoro e di spese. Il sensore TEROS 12 misura il contenuto d'acqua ed è semplice da installare con l'attrezzo per l'installazione in foroTEROS . TEROS 21 è un sensore di potenziale idrico di facile installazione.

In laboratorio, è possibile combinare le funzioni METER HYPROP e WP4C per generare automaticamente curve di rilascio dell'umidità del suolo complete per l'intero intervallo di umidità del suolo.

Vedere come si confrontano le curve di rilascio dell'umidità in laboratorio e in situ

Come utilizzare una curva di rilascio dell'umidità del suolo

Una curva di rilascio dell'umidità del suolo mette insieme la variabile estensiva del contenuto volumetrico di acqua con la variabile intensiva del potenziale idrico. Il grafico delle variabili estensive e intensive permette ai ricercatori e agli irrigatori di rispondere a domande cruciali, come ad esempio dove si sposterà l'acqua del suolo. Per esempio, nella Figura 10 qui sotto, se i tre terreni sottostanti fossero diversi strati di orizzonte del suolo al 15% di contenuto d'acqua, l'acqua nella sabbia fine limosa inizierebbe a spostarsi verso lo strato di sabbia fine limosa perché ha un potenziale idrico più negativo.

Una curva di rilascio dell'umidità del suolo può essere utilizzata anche per prendere decisioni sull'irrigazione, come ad esempio quando attivare e disattivare l'acqua. Per fare ciò, i ricercatori o gli irrigatori devono comprendere sia il contenuto volumetrico d'acqua (VWC) che il potenziale idrico. Il VWC indica al coltivatore la quantità di irrigazione da applicare. Il potenziale idrico indica la disponibilità di acqua per le colture e quando interrompere l'irrigazione. Ecco come funziona.

La Figura 11 mostra le tipiche curve di rilascio dell'umidità per un terreno sabbioso, un terreno limoso e un terreno argilloso. A -100 kPa, il contenuto d'acqua del terreno sabbioso è inferiore al 10%. Nel terreno limoso, invece, è di circa il 25% e in quello argilloso è vicino al 40%. La capacità di campo è tipicamente compresa tra -10 e -30 kPa. Il punto di appassimento permanente è di circa -1500 kPa. Un terreno più secco di questo punto di appassimento permanente non fornirebbe acqua a una pianta. E l'acqua in un terreno più umido della capacità di campo drenerebbe dal terreno. Un ricercatore/irrigatore può osservare queste curve e capire quale sarebbe il livello ottimale di contenuto d'acqua per ogni tipo di terreno.

La Figura 12 è la stessa curva di rilascio dell'umidità che mostra l'intervallo di capacità del campo (linee verticali verdi), il limite inferiore normalmente impostato per una coltura irrigua (giallo) e il punto di appassimento permanente (rosso). Utilizzando queste curve, un ricercatore/irrigatore può vedere che il potenziale idrico del silt loam dovrebbe essere mantenuto tra -10 e -50 kPa. Il contenuto d'acqua che corrisponde a questi potenziali d'acqua indica all'irrigatore che i livelli di contenuto d'acqua del terriccio devono essere mantenuti a circa il 32% (0,32 m3/m3). I sensori di umidità del suolo possono avvisare quando si supera o si scende al di sotto di questo limite ottimale.

ZENTRA semplifica tutto

Una volta ottenute le informazioni da una curva di rilascio, il registratore di dati e il ZL6 registratore di dati e ZENTRA Cloud semplificano il processo di mantenimento di un livello di umidità ottimale. I limiti superiori e inferiori possono essere impostati in ZENTRA cloud (ottenete una demo dal vivo) e vengono visualizzati come una banda ombreggiata sovrapposta ai dati sull'umidità del suolo in tempo quasi reale (ombreggiatura blu), rendendo facile sapere quando attivare e disattivare l'acqua. Vengono anche inviati automaticamente degli avvisi quando questi limiti vengono raggiunti o superati.

Per saperne di più sul miglioramento dell'irrigazione con l'umidità del suolo

Curve di laboratorio: ora più facili che mai

15-20 anni fa ci volevano mesi per ottenere una curva di rilascio dell'umidità del suolo completa e dettagliata in laboratorio, ma da allora abbiamo fatto molta strada. Perché?

Le curve di rilascio dell'umidità hanno sempre avuto due aree deboli: un intervallo di dati limitati tra 0 e -100 kPa e un intervallo da -100 kPa a -1000 kPa in cui nessuno strumento poteva effettuare misurazioni accurate. Tra 0 e -100 kPa, il suolo perde metà o più del suo contenuto d'acqua. L'uso di piastre di pressione per creare i punti dati per questa sezione della curva di rilascio dell'umidità significava che la curva era basata solo su cinque punti dati.

E poi c'è il divario. Le letture più basse del tensiometro si interrompono a -0,085 MPa, mentre storicamente la gamma più alta del misuratore di potenziale idrico WP4 raggiunge a malapena -1 MPa. Questo ha lasciato un buco nella curva proprio a metà della gamma disponibile per le piante.

Nel 2008, METER Group AG in Germania ha rilasciato HYPROP, uno strumento in grado di produrre oltre 100 punti di dati nell'intervallo da 0 a -0,1 MPa. In questo modo è stato risolto il problema della risoluzione, con una quantità di dati più che ventuplicata in quella sezione della curva.

Nel 2010, METER Group ha lanciato il nuovo misuratore di potenziale idrico WP4C . I significativi miglioramenti in termini di accuratezza e portata consentono ora a WP4C di effettuare buone letture fino alla gamma dei tensiometri. Utilizzando HYPROP con il nuovo strumento WP4Cun esperto sperimentatore può ora realizzare curve di rilascio dell'umidità complete e ad alta risoluzione. Per informazioni approfondite su come realizzare curve di rilascio dell'umidità del terreno in laboratorio, consultare la nostra Guida all'applicazione delle curve di rilascio dell'umidità.

Aspetta, c'è di più

Le curve di rilascio dell'umidità del suolo possono fornire ulteriori informazioni che vanno oltre lo scopo di questo articolo. I ricercatori le usano per capire molti aspetti come la capacità di ritiro del suolo, la capacità di scambio cationico o l'area superficiale specifica del suolo.

Volete sapere come le curve di rilascio dell'umidità del suolo possono essere utilizzate nelle vostre applicazioni? Contattateci: i nostri scienziati del suolo hanno decenni di esperienza nell'aiutare i ricercatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera. Oppure guardate il nostro webinar sulle curve di rilascio dell'umidità del suolo: Umidità del suolo 201: Curve di rilascio dell'umidità - Rivelate.

POTENZIALE IDRICO: UN PO' DI STORIA

Comprendere il flusso d'acqua insaturo nei terreni

All'inizio del secolo scorso, l'USDA Bureau of Soils (BOS) reclutò diversi fisici puri per affrontare i problemi più complessi dell'agricoltura. Uno di questi era Edgar Buckingham. Quando Buckingham arrivò al Bureau of Soils nel 1902, era già autore di un testo sulla termodinamica. I suoi primi esperimenti al BOS riguardarono il trasporto di gas nel suolo, ma alla fine si occupò del problema del flusso d'acqua insaturo nel suolo, ed è qui che diede il suo più grande contributo alla fisica del suolo.

Come fisico classico, Buckingham ha usato la matematica per esaminare i misteri e la confusione che circondano il flusso dell'acqua nel terreno. Rendendosi conto che il contenuto d'acqua non guidava il flusso nel terreno insaturo, la sfida di Buckingham fu quella di descrivere le forze che lo facevano. Aveva naturalmente familiarità con i campi di forza elettrici e termici e con il flusso da essi generato. Questi concetti erano comodi analoghi per la forza motrice creata nel terreno dai gradienti di quella che lui chiamò "conduttività capillare". Buckingham utilizzò le leggi di Ohm e di Fourier per descrivere questo flusso.

1902: Edgar Buckingham entra a far parte del Bureau of Soils. La sua esperienza nel campo della termodinamica ha contribuito a formare l'inizio della nostra comprensione del flusso d'acqua insaturo nei suoli.

1930s: L.A. Richards sviluppa la piastra di pressione, uno dei primi strumenti in grado di misurare efficacemente la "conducibilità capillare".

1940s: L.A. Richards e John Monteith pubblicano un articolo che descrive come gli psicrometri a termocoppia possano essere utilizzati per misurare il potenziale idrico dei campioni di terreno.

1951: D.C. Spanner è il primo a dimostrare con successo l'uso di uno psicrometro a termocoppia per misurare il potenziale idrico nel terreno.

1983: METER introduce il primo psicrometro a termocoppia disponibile in commercio (l'SC-10, successivamente noto come TruPsi).

Misurare il potenziale idrico in laboratorio

Sebbene Edgar Buckingham abbia descritto e dimostrato la "conducibilità capillare" nel 1907, era ben lontano dal poterla misurare efficacemente. Il primo strumento a farlo fu la piastra di pressione creata da L.A. Richards negli anni Trenta. Una piastra di pressione non misura il potenziale idrico di un campione. Al contrario, porta il campione a un potenziale idrico specifico. Lo strumento applica una pressione per forzare l'acqua a uscire dal campione e a entrare in una piastra di ceramica porosa. Quando il campione raggiunge l'equilibrio, il suo potenziale idrico sarà teoricamente equivalente alla pressione applicata.

Una volta che i campioni di terreno raggiungono uno specifico potenziale idrico sotto pressione, il ricercatore può misurare il contenuto idrico correlato. È possibile ottenere una caratteristica dell'umidità del suolo effettuando queste misurazioni a pressioni diverse.

Metodi a vapore

Oltre un decennio dopo l'introduzione della piastra di pressione, L. A. Richards negli Stati Uniti e John Monteith in Gran Bretagna pubblicarono dei documenti che descrivevano come uno psicrometro a termocoppia potesse essere utilizzato per misurare il potenziale idrico di campioni di terreno, equilibrando il campione con il vapore in una camera chiusa e misurando l'umidità relativa del vapore. All'equilibrio, l'umidità relativa del vapore è direttamente correlata al potenziale idrico del campione.

Il termine psicrometro, coniato nel 1818 dall'inventore tedesco Ernst Ferdinand August (1795-1870), significa "misuratore di freddo" in greco. Uno psicrometro è costituito da due termometri identici. Uno (il bulbo secco) viene mantenuto asciutto mentre l'altro (il bulbo umido) viene mantenuto saturo. La differenza di temperatura tra il bulbo umido e quello secco può essere utilizzata per calcolare l'umidità relativa dell'aria.

Psicrometri a termocoppia

I primi psicrometri utilizzati per misurare l'umidità relativa sopra un campione di terreno erano necessariamente molto piccoli. I due termometri erano costituiti da piccole e fragili termocoppie. Una termocoppia è un sensore di temperatura costituito da due conduttori dissimili uniti in un punto. La termocoppia converte un gradiente di temperatura in elettricità, che può essere misurata per determinare le variazioni di temperatura.

Gli psicrometri a termocoppia sono stati utilizzati per la prima volta con successo per misurare il potenziale idrico da D.C. Spanner prima del 1951, ma si trattava di una misurazione difficile da effettuare. Per ottenere i risultati desiderati, Spanner dovette fabbricare il proprio filo in antimonio di bismuto; secondo John Monteith, una cappa di aspirazione a Rothamsted portò i segni di questi esperimenti per molti anni.

Altri hanno faticato a ripetere le sue misurazioni. I campioni impiegavano fino a una settimana per equilibrarsi e le fragili termocoppie spesso leggevano un solo campione prima di rompersi. Tuttavia, nel 1961 Richards vedeva chiaramente nei metodi a vapore il futuro delle misurazioni del potenziale idrico (Richards e Ogata, 1961).

Decagon (ora METER) ha introdotto il suo primo psicrometro a termocoppia commerciale (SC-10 Thermocouple Psychrometer Sample Changer, successivamente TruPsi) nel 1983. Questo strumento utilizzava una termocoppia delicata, ma la proteggeva all'interno di un involucro sigillato. Nove campioni venivano equilibrati simultaneamente e ruotati sotto la termocoppia da misurare.

Prima di ogni misurazione, la termocoppia a bulbo umido è stata immersa in un piccolo serbatoio d'acqua. L'uscita elettrica della termocoppia veniva inviata a un nanovoltmetro, che doveva essere monitorato per determinare quando le temperature smettevano di variare.

Misuratori del potenziale idrico del punto di rugiada

Alla fine degli anni '90, Decagon (ora METER) ha iniziato a produrre il Potenziometro del Punto di Rugiada WP4C , un metodo migliorato per misurare il potenziale idrico utilizzando la pressione del vapore. Come lo psicrometro, misura la pressione del vapore sopra un campione sigillato all'interno di una camera. Entrambi gli strumenti sono metodi primari basati su principi termodinamici.

A differenza dello psicrometro, il potenziometro del punto di rugiada utilizza un sensore di punto di rugiada a specchio raffreddato. Un piccolo specchio nella camera viene raffreddato finché la rugiada non inizia a formarsi su di esso. Al punto di rugiada, WP4C misura la temperatura dello specchio e del campione con una precisione di 0,001 °C per determinare l'umidità relativa del vapore sopra il campione. Il potenziale idrico del campione è correlato linearmente alla differenza tra la temperatura del campione e la temperatura del punto di rugiada.

Il sensore del punto di rugiada presenta diversi vantaggi. È più veloce e fornisce misure accurate anche quando l'operatore è relativamente poco esperto. Inoltre, il sensore a specchio freddo non richiede l'aggiunta di acqua e quindi non aumenta il contenuto di acqua del vapore sopra il campione.

Questa misura ha il vantaggio di essere un metodo primario per determinare il potenziale idrico basato su principi termodinamici piuttosto che sulla calibrazione.

La versione più recente di questo strumento è in grado di risolvere le temperature fino a un millesimo di grado, rendendo possibile la misurazione di campioni umidi fino a -0,5 MPa con un'eccellente precisione.

Domande?

I nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e coltivatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera.

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