DR. GAYLON S. CAMPBELL

L'acqua disponibile per gli impianti è semplice

Sia la quantità che la disponibilità di acqua (acqua disponibile per le piante) nel suolo sono importanti per le radici delle piante e per gli organismi che vivono nel suolo. Per descrivere la quantità d'acqua presente nel suolo, si usa il termine contenuto d'acqua. Per descrivere l'acqua disponibile per le piante, si parla di potenziale idrico. In termodinamica, il contenuto d'acqua viene definito come variabile estensiva e il potenziale idrico come variabile intensiva. Entrambe sono necessarie per descrivere correttamente lo stato dell'acqua nel suolo e nelle piante. Oltre a descrivere lo stato dell'acqua nel suolo, può essere necessario sapere a che velocità l'acqua si muove nel suolo. A tal fine, è necessario conoscere la conducibilità idraulica. Altri parametri importanti del suolo sono lo spazio totale dei pori, il limite superiore drenato per l'acqua del suolo e il limite inferiore dell'acqua disponibile in un suolo. Poiché queste proprietà variano notevolmente tra i suoli, sarebbe utile stabilire delle correlazioni tra questi utilissimi parametri e proprietà facilmente misurabili come la tessitura del suolo e la densità apparente. Questo articolo presenterà le informazioni necessarie per la creazione di semplici modelli dei processi idrici del suolo.

Per informazioni più approfondite sull'acqua disponibile nelle piante, scaricate la "Guida completa del ricercatore al potenziale idrico".

Contenuto d'acqua e densità apparente

La quantità d'acqua presente nel suolo viene definita contenuto d'acqua. Questo può essere descritto su base massica o volumetrica. Il contenuto d'acqua su base massica è la massa di acqua persa da un campione di terreno, quando viene essiccato a 105 °C, divisa per la massa del terreno secco. Questa definizione è utile per determinare il contenuto d'acqua in laboratorio, ma non è particolarmente utile per descrivere la quantità d'acqua sul campo. In questo caso, è più utile il contenuto d'acqua su base volumetrica. Si tratta del volume d'acqua trattenuto per unità di volume di suolo. Se w è il contenuto idrico di massa e θ è il contenuto idrico di volume, allora

dove _ρb e _ρw sono la densità apparente e la densità dell'acqua. La densità apparente del suolo è la massa secca del suolo divisa per il volume del suolo. La densità dell'acqua è di 1 ^Mg/m3. Nei terreni minerali, la densità apparente ha tipicamente un valore compreso tra 1,1 e 1,7 ^Mg/m3. Il contenuto d'acqua volumetrico è quindi tipicamente maggiore del contenuto d'acqua di massa. Si può pensare a θ come alla frazione del volume del suolo occupata dall'acqua. La frazione assorbita dai solidi può essere calcolata a partire dalla densità apparente

dove _ρs è la densità dei solidi del suolo. In genere ha un valore intorno a 2,65 ^Mg/m3. Lo spazio totale dei pori nel suolo è 1 - _fs. Quando il terreno è completamente saturo d'acqua, il suo contenuto idrico è il contenuto idrico di saturazione, _ρs. Può essere calcolato dalla densità apparente come

Il potenziale idrico indica l'acqua disponibile per le piante

Tutta l'acqua contenuta nel suolo non è ugualmente disponibile per le piante, i microbi e gli insetti. Un modo per determinare l'acqua disponibile per le piante è la misurazione del potenziale idrico. Il potenziale idrico è l'energia potenziale per unità di massa dell'acqua. L'acqua nel suolo è trattenuta da forze di adesione alla matrice del suolo, è soggetta ad attrazione gravitazionale e contiene soluti che ne abbassano l'energia rispetto a quella dell'acqua pura e libera. Gli organismi viventi devono quindi spendere energia per rimuovere l'acqua dal suolo. Il potenziale idrico è una misura dell'energia per unità di massa d'acqua necessaria per rimuovere una quantità infinitesimale di acqua dal suolo e trasportarla in un bacino di riferimento di acqua pura e libera. Poiché di solito è necessaria energia per rimuovere l'acqua, il potenziale idrico è di solito una quantità negativa. Per l'energia potenziale per unità di massa, le unità di misura del potenziale idrico sono J/kg. L'energia per unità di volume è ^J/m3, o N/m o Pa. Noi siamo decisamente a favore del J/kg, ma spesso il potenziale idrico viene indicato in kPa o MPa. Un J/kg è numericamente quasi uguale a 1 kPa.

Sebbene molti fattori influenzino il potenziale idrico, il più importante in un contesto biologico è solitamente il potenziale matriciale. Esso deriva dall'attrazione della matrice del suolo per l'acqua e dipende quindi fortemente dalle proprietà della matrice e dalla quantità d'acqua in essa contenuta. Guardate il video per vedere come funziona.

La Figura 1 mostra le tipiche curve di rilascio dell'umidità o le caratteristiche di umidità dei terreni sabbiosi, limosi e argillosi. Le argille, a causa delle dimensioni dei pori più piccole e delle maggiori aree superficiali delle particelle, abbassano maggiormente il potenziale idrico a un determinato contenuto d'acqua rispetto alle sabbie e ai terreni limosi. Le caratteristiche di umidità come quelle della Figura 1 sono lineari quando il logaritmo del potenziale idrico viene tracciato in funzione del logaritmo del contenuto d'acqua. L'equazione che descrive queste curve è

dove _ψm è il potenziale matriciale, θ è il contenuto volumetrico d'acqua, _ψe è chiamato il potenziale di ingresso dell'aria nel terreno e b è una costante. Il potenziale di ingresso dell'aria e il contenuto d'acqua di saturazione sono talvolta combinati in un'unica costante, a, che dà

così

Il potenziale di ingresso dell'aria e il valore b dipendono dalla tessitura e dalla struttura del suolo. La tessitura del suolo può essere specificata utilizzando il nome di una classe testuale, come silt loam o fine sandy loam, come frazioni di sabbia, limo e argilla, o come diametro medio delle particelle e deviazione standard dei diametri delle particelle. Quest'ultima è la più utile per determinare le proprietà idrauliche. Utilizzeremo la densità apparente o lo spazio totale dei pori come misura della struttura del suolo.

Shiozawa e Campbell (1991) forniscono le seguenti relazioni per convertire le misurazioni delle frazioni di limo e argilla in diametro geometrico medio delle particelle e deviazione standard

e

dove _mt e _my sono le frazioni di limo e argilla nel campione, _dg è il diametro medio geometrico delle particelle in µm e _σg è la deviazione standard geometrica.

Proprietà idrauliche e tessitura del suolo

Le relazioni tra le proprietà idrauliche e la tessitura e la struttura del suolo sono attualmente piuttosto incerte, anche se sono state condotte molte ricerche in questo campo. Le seguenti sono equazioni derivate in parte dalla teoria e in parte dall'adattamento empirico di serie di dati provenienti da diverse località. La dipendenza del potenziale di ingresso dell'aria dalla struttura e dalla densità apparente può essere calcolata da

dove _θs è ricavato dall'Equazione 3 e _dg è ricavato dall'Equazione 6.

L'esponente b può essere stimato da

La Tabella 1 elenca le dodici classi di tessitura dei suoli e fornisce le frazioni approssimative di limo e argilla per il centro di ciascuna classe. Mostra poi i valori di _dg, _σg, _ψe e b per ogni classe.

Capacità di campo e punto di appassimento permanente

In presenza di un elevato contenuto d'acqua, l'acqua si muove rapidamente nel terreno, soprattutto a causa della forza di gravità e dell'elevata conduttività idraulica del terreno quasi saturo. Quando l'acqua drena dal terreno, tuttavia, la conducibilità idraulica diminuisce rapidamente e la velocità di movimento rallenta. Il movimento verso il basso dell'acqua sotto l'influenza della gravità diventa molto ridotto a potenziali idrici compresi tra -10 e -33 J/kg. L'acqua a potenziali inferiori a questi valori viene quindi trattenuta all'interno della zona radicale ed è disponibile per l'assorbimento da parte della pianta (acqua disponibile per la pianta). Il contenuto d'acqua quando il potenziale matriciale è compreso tra -10 e -33 J/kg (-10 per le sabbie; -33 per le argille) è il contenuto d'acqua della capacità di campo(_θfc), o il limite superiore drenato. È il contenuto d'acqua che ci si aspetterebbe di trovare se un profilo di terreno fosse bagnato da una forte pioggia o dall'irrigazione, coperto e lasciato riposare per due o tre giorni. In altre parole, è il contenuto d'acqua più alto che ci si aspetta di trovare in un terreno di campo, tranne che subito dopo l'aggiunta di acqua.

I valori del contenuto d'acqua a -33 J/kg sono stati calcolati utilizzando l'Equazione 4 per ciascuna texture, assumendo ρs ₌ 0,5, e sono riportati nella Tabella 1.

Si noti che le sabbie drenano fino a pochi punti percentuali di umidità alla capacità di campo, mentre i terreni a struttura più fine possono avere contenuti idrici superiori a 0,3 ^m3m-3. Tuttavia, tutti i contenuti d'acqua alla capacità di campo sono ben al di sotto della saturazione. I valori riportati nella tabella potrebbero dover essere adattati per rappresentare ciò che si troverebbe sul campo, poiché la densità apparente tende a dipendere dalla tessitura. Le sabbie tendono ad avere densità di massa elevate (1,6 Mg/m), mentre i terreni a tessitura più fine tendono ad avere densità di massa inferiori. Il punto di appassimento permanente (PWP) non significa che la pianta viene uccisa da potenziali idrici in questo intervallo. Significa che la pianta non si riprenderà dall'appassimento a meno che non venga applicata dell'acqua. Molte specie sono in grado di prelevare l'acqua dal suolo a potenziali idrici ben inferiori a -1500 J/kg, e un rapido prelievo di acqua dal suolo renderà l'acqua non disponibile per una pianta che si trova a potenziali ben superiori a -1500 J/kg. Il valore fornisce tuttavia un limite inferiore approssimativo per il contenuto d'acqua del suolo da cui le piante estraggono acqua. I valori di _θpwp sono riportati anche nella Tabella 1 per θs₌ 0,5.

L'acqua disponibile per le piante è definita come l'acqua trattenuta nel terreno tra la capacità di campo e l'appassimento permanente. Questi valori sono riportati anche nella Tabella 1. I valori sono bassi per i terreni a tessitura grossolana, ma tendono a essere abbastanza uniformi per le altre tessiture del terreno, anche se i valori della capacità di campo e del punto di appassimento permanente variano notevolmente. Tuttavia, è necessario usare una nota di cautela nell'utilizzo dei valori riportati nella tabella.

Previsione del punto di appassimento permanente in base alla capacità del campo

Poiché sia la capacità di campo che il punto di appassimento permanente possono essere calcolati a partire da parametri pedologici di base, è logico che siano correlati. La Figura 2 mostra il contenuto idrico di appassimento permanente per tutte le dodici classi di tessitura in funzione del contenuto idrico della capacità di campo. La correlazione è buona e i dati si adattano bene a un polinomio del secondo ordine. Il risultato pratico è che basta conoscere l'una o l'altra di queste variabili e l'altra può essere trovata dalla relazione tra le due.

Ottenere le proprietà idrauliche dai dati di rilevamento del suolo

I contenuti idrici di -33 e -1500 J/kg (1/3 e 15 bar) sono spesso disponibili dai dati di rilevamento del terreno. Se sono noti, possiamo trovare a e b nell'Equazione 5.5. Prendendo i logaritmi di entrambi i lati dell'Equazione 5.5, si ottiene ln ψm ₌ ln a-b ln θ. Sostituendo _θfc = 33 e _θpwp = 1500 e i loro corrispondenti contenuti d'acqua (usare numeri positivi per _ψm quando si prendono i log; non si può prendere il log di un numero negativo), si ottengono due equazioni in due incognite, b e a, che si possono risolvere simultaneamente per ottenere i due parametri

Assicurarsi che i valori di _θfc e _θpwp utilizzati siano contenuti d'acqua volumetrici. La maggior parte dei dati di laboratorio sono contenuti d'acqua in massa perché vengono misurati con l'essiccazione in forno. Se si tratta di contenuti idrici in massa, è necessario convertirli in contenuti idrici in volume utilizzando la densità apparente e l'Equazione 1 prima di utilizzarli per calcolare a e b. A volte, tutto ciò che si ha è una stima del contenuto idrico disponibile per un terreno. In questo caso, possiamo stimare b in modo sufficientemente accurato per trovare comunque un valore per a. Sia _θav = _θfc - _θpwp, il contenuto d'acqua disponibile (acqua disponibile per le piante) per il suolo. Possiamo riorganizzare l'equazione 5 per ottenere

Se non abbiamo altre informazioni che ci indichino il valore di b, assumeremo un valore di 5. Questo dà a = 637θ5av . Si ottiene così a = _637θ5av. Conoscendo i valori di a e b, possiamo utilizzare l'equazione 5 per trovare _θfc e _θpwp. Una stima del contenuto di acqua secca nell'aria, che ci servirà nei modelli di evaporazione dalle superfici del suolo, si ottiene da

Misurare tutti i parametri necessari per modellare l'acqua disponibile dell'impianto

Sia il contenuto d'acqua che il potenziale idrico possono essere misurati in modo continuo e semplice con i sensori del suolo METER. Il sensore WP4C misura il potenziale idrico in laboratorio e può essere utilizzato per prevedere il punto di appassimento permanente. METER fornisce anche una serie di altri strumenti di ricerca sul campo e in laboratorio che misurano la conducibilità idraulica e la tessitura del suolo. Guardate il video per vedere come i nostri strumenti di laboratorio lavorano insieme per caratterizzare le proprietà idrauliche del suolo.

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L'umidità del suolo è molto più che conoscere la quantità di acqua presente nel terreno. Scoprite i principi di base che dovete conoscere prima di decidere come misurarla. In questo webinar di 20 minuti, scoprirete:

• Perché l 'umidità del suolo non è solo una quantità
• Contenuto d'acqua: cos'è, come si misura e perché serve
• Potenziale idrico: cos'è, come si differenzia dal contenuto d'acqua e perché serve
• Se si deve misurare il contenuto d'acqua, il potenziale idrico o entrambi.
• Quali sensori misurano ciascun tipo di parametro

Riferimenti

1. Campbell, Gaylon S. Fisica del suolo con BASIC: modelli di trasporto per sistemi suolo-pianta. Vol. 14. Elsevier, 1985. Link al libro.

2. Shiozawa, S. e G. S. Campbell. "Sul calcolo del diametro medio delle particelle e della deviazione standard delle frazioni di sabbia, limo e argilla". Soil Science 152, no. 6 (1991): 427-431. Link all'articolo.

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