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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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).
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.
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.
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 i 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
I blocchi di gesso sono incredibilmente economici e abbastanza facili da usare.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
A meno che non sia calibrato individualmente, il sensore di dissipazione del calore ha solo una precisione moderata.
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.
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.
I sensori di potenziale matriciale dielettrico sono a bassa potenza e non richiedono manutenzione.
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.
Il webinar del Dr. Colin Campbell 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.
Scarica la "Guida completa del ricercatore al potenziale idrico".
I nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e coltivatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera.
Sei brevi video vi insegnano tutto quello che c'è da sapere sul contenuto d'acqua del suolo e sul potenziale idrico del suolo, e perché dovreste misurarli insieme. Inoltre, imparate a conoscere le basi della conducibilità idraulica del suolo.
Comprendere i diversi componenti del potenziale idrico e come utilizzarli. Il potenziale idrico è l'energia necessaria, per quantità d'acqua, per trasportare una quantità infinitesimale di acqua dal campione a una vasca di riferimento di acqua libera pura.
Il dottor Gaylon Campbell, fisico del suolo di fama mondiale, insegna ciò che è necessario sapere per realizzare semplici modelli dei processi idrici del suolo.
Uno sguardo completo alla scienza della misurazione del potenziale idrico.
Ricevere regolarmente i contenuti più recenti.