Perché i sensori di umidità del suolo non possono dire tutto ciò che serve sapere
Sensori di umidità del suolo accurati e poco costosi rendono la VWC del suolo una misura giustamente popolare, ma è la misura giusta per la vostra applicazione?
Strumenti da laboratorio o da campo: perché usarli entrambi?
Gli strumenti di laboratorio e di campo utilizzati insieme possono fornire ai ricercatori una sinfonia di informazioni e possono essere utilizzati come potenti strumenti per comprendere i dati e prevedere il comportamento del suolo nel tempo.
Quando i ricercatori misurano le proprietà idrauliche del suolo in laboratorio o sul campo, probabilmente vedono solo una parte del quadro. I sistemi di laboratorio sono molto accurati grazie alle condizioni controllate, ma le misurazioni di laboratorio non tengono conto della variabilità del sito, come radici, fessure o cunicoli che potrebbero influenzare l'idrologia del suolo. Inoltre, quando i ricercatori portano un campione dal campo al laboratorio, spesso comprimono i macropori del suolo durante il processo di campionamento, alterando le proprietà idrauliche del terreno.
Gli esperimenti sul campo aiutano i ricercatori a comprendere la variabilità e le condizioni in tempo reale, ma presentano una serie di problemi opposti. Il campo è un sistema non controllato. L'acqua si muove attraverso il profilo del suolo per evaporazione, assorbimento da parte delle piante, risalita capillare o drenaggio in profondità, il che richiede molte misurazioni a diverse profondità e posizioni. I ricercatori sul campo devono anche fare i conti con l'imprevedibilità del tempo. Le precipitazioni possono far sì che un esperimento di essiccazione sul campo richieda un'intera estate, mentre in laboratorio è sufficiente una settimana.
| Laboratorio | Misurazione | Campo |
|---|---|---|
| PARIO | Struttura del suolo | |
| HYPROP | Potenziale idrico (gamma umida) | Tensiometri (TEROS 32) |
| WP4C | Potenziale idrico (intervallo secco) | TEROS 21 |
| HYPROPe metodo di essiccazione in forno | Contenuto d'acqua | Sensori di contenuto volumetrico d'acqua |
| KSAT | Conducibilità idraulica satura | SATURO (campo saturo) |
| HYPROP | Conducibilità idraulica insatura | Mini disk infiltrometer |
Il quadro generale ingrandito
I ricercatori che utilizzano sia le tecniche di laboratorio che quelle sul campo, comprendendo i punti di forza e i limiti di ciascun metodo, possono aumentare esponenzialmente la loro comprensione di ciò che accade nel profilo del suolo. Ad esempio, in laboratorio, un ricercatore può utilizzare l'analizzatore di tessitura del suolo per ottenere dati accurati sulla tessitura del suolo, compresi i dati completi di PARIO analizzatore di tessitura del suolo per ottenere dati precisi sulla tessitura del suolo, compresa una distribuzione completa delle dimensioni delle particelle. Potrebbero poi combinare questi dati con una HYPROP-curva di rilascio dell'umidità del suolo per comprendere le proprietà idrauliche di quel tipo di terreno. Se poi il ricercatore aggiunge dati di alta qualità sul campo per comprendere le condizioni reali del terreno, allora improvvisamente vede il quadro generale.
Di seguito viene presentata un'esplorazione della strumentazione di laboratorio rispetto a quella di campo e di come i ricercatori possono combinare questi strumenti per una maggiore comprensione del profilo del suolo. Fare clic sui link per ottenere informazioni più approfondite su ciascun argomento.
| Punti di forza | Limitazioni | |
|---|---|---|
| Strumentazione di laboratorio |
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| Strumentazione di campo |
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Distribuzione granulometrica e perché è importante
L'analisi del tipo di suolo e delle dimensioni delle particelle è la prima finestra sul suolo e sulle sue caratteristiche uniche. Ogni ricercatore dovrebbe identificare il tipo di terreno con cui sta lavorando per poter effettuare un benchmark dei propri dati. Se i ricercatori non conoscono il tipo di suolo, non possono fare ipotesi sullo stato dell'acqua del suolo in base al contenuto idrico (ad esempio, se lavorano con le piante, non saranno in grado di prevedere se ci sarà acqua disponibile per le piante). Inoltre, i diversi tipi di suolo negli orizzonti del terreno possono influenzare la selezione delle misure, la scelta dei sensori e il loro posizionamento.
L'analisi granulometrica definisce la percentuale di materiali grossolani e fini che compongono un terreno. Grazie a questa conoscenza, un ricercatore può stimare la capacità di un determinato terreno di trattenere l'acqua. L'analisi granulometrica va oltre la semplice definizione del tipo di suolo. L'analisi granulometrica agisce come un'impronta digitale del terreno, mostrando la distribuzione unica delle dimensioni delle particelle nelle frazioni di sabbia, limo e argilla. Queste informazioni possono aiutare un ingegnere geotecnico a capire come reagirà un terreno che si restringe nel tempo, oppure possono influenzare le decisioni di irrigazione di un coltivatore. La distribuzione granulometrica può anche fornire indicazioni su come si è formata o si formerà la struttura del terreno e influenza la conduttività idraulica satura: più il materiale è grossolano, più l'acqua si muoverà facilmente.
Storicamente, i ricercatori identificavano la tessitura del suolo utilizzando metodi grezzi come il test del nastro, il metodo della pipetta o la tecnica dell'idrometro, che richiedeva molto tempo. PARIOPARIO fornisce ai ricercatori un'analisi completa della distribuzione granulometrica, compresa la suddivisione della frazione di limo fine, limo medio, argilla e sabbia. Dopo aver ottenuto l'analisi, il software calcola automaticamente la sua posizione nel triangolo della tessitura del suolo USDA per identificare con precisione il tipo di suolo.
I ricercatori dovrebbero utilizzare il sito PARIO come primo passo per la comprensione del suolo, prima di decidere quali altri parametri misurare. Questo li aiuterà a determinare quale strumentazione di laboratorio o di campo sarà più efficace per i loro obiettivi di ricerca.
La curva di rilascio dell'umidità è la Stele di Rosetta di un terreno
Ogni tipo di terreno ha una diversa curva di rilascio dell'umidità (o curva caratteristica dell'acqua del suolo). I ricercatori usano le curve di rilascio dell'umidità per capire come reagirebbero il suolo e le piante se l'umidità cambiasse nel tempo in un determinato terreno. La curva indica quanto rapidamente cambierà la quantità d'acqua(contenuto d'acqua) rispetto alla quantità d'acqua disponibile(potenziale d'acqua).
![A graph showing a Soil moisture release curve (or soil water characteristic curve [SWCC])](https://metergroup.com/app/uploads/2023/05/soil-moisture-release-curve-1-1.jpg)
Le curve di rilascio dell'umidità aiutano i ricercatori a prevedere se l'acqua si muoverà e dove andrà. Una curva di rilascio illustra anche quanta acqua sarà disponibile per le piante a diversi contenuti idrici nel corso del tempo. Ad esempio, in una sabbia prossima alla saturazione, il contenuto d'acqua cambierà rapidamente nel tempo, mentre il potenziale idrico diminuirà solo leggermente. Questo perché i grandi pori e la bassa superficie della sabbia non trattengono l'acqua, rendendola più disponibile. Al contrario, in un'argilla vicina alla saturazione, la quantità d'acqua cambia più lentamente, mentre il potenziale idrico cambia in modo relativamente rapido, perché l'area superficiale più elevata e i pori più piccoli dell'argilla trattengono l'acqua più strettamente, liberandone meno per le piante o per il movimento dell'acqua. Una curva di rilascio dell'umidità illustra la relazione tra contenuto d'acqua e potenziale idrico e mostra ai ricercatori come si comporterà il terreno in qualsiasi condizione.
Per saperne di più sul perché e sul come creare una curva di rilascio dell'umidità
Scarica la "Guida completa al potenziale idrico dei ricercatori".
HYPROP: l'esperto delle curve di rilascio dell'umidità del suolo
Il modo più semplice per creare una curva di rilascio dell'umidità è in laboratorio. Lo strumento HYPROP è uno strumento di laboratorio unico nel suo genere che utilizza il metodo di evaporazione Wind/Schindler per generare curve di rilascio dell'umidità su terreni con potenziali idrici nell'intervallo del tensiometro, l'intervallo in cui si muove maggiormente l'acqua. Utilizzando due tensiometri di precisione, produce automaticamente oltre 100 punti di dati nell'intervallo da 0 a -100 kPa. La curva richiede da tre a cinque giorni per essere completata, ma lo strumento funziona senza sorveglianza. La portata di HYPROPè limitata dalla gamma di tensiometri, ma può essere combinata con WP4C per produrre una curva di rilascio dell'umidità sull'intero intervallo di umidità.
Unire HYPROP a WP4C per ottenere una curva di rilascio dell'umidità completa.
Il WP4C è uno strumento da laboratorio che misura il potenziale idrico nell'intervallo secco determinando l'umidità relativa dell'aria sopra un campione in una camera chiusa. Una volta che il campione entra in equilibrio con il vapore nella camera sigillata di WP4C, lo strumento trova l'umidità relativa utilizzando il metodo dello specchio raffreddato. Questo metodo consiste nel raffreddare un piccolo specchio nella camera fino a quando la rugiada inizia a formarsi su di esso. Al punto di rugiada, WP4C misura sia la temperatura dello specchio che quella del campione con una precisione di 0,001 °C. Ciò consente a WP4C di fornire letture del potenziale idrico con un'accuratezza senza pari nell'intervallo da -0,05 MPa a -300 MPa.
Il sito WP4C può essere utilizzato insieme al sito HYPROP per creare una curva completa di rilascio dell'umidità del suolo su tutta la gamma di umidità del terreno. Guardate il video per vedere come funziona. Questo, combinato con le informazioni estratte da PARIO , può essere un potente strumento per la comprensione delle proprietà idrauliche del suolo.
Imparate a combinare HYPROP e WP4C per ottenere una curva di rilascio dell'umidità completa.
Curve di rilascio dell'umidità in campo? Sì, è possibile
I siti HYPROP e WP4C forniscono la possibilità di realizzare curve di rilascio dell'umidità del suolo rapide e accurate (curve caratteristiche dell'acqua del suolo-SWCC), ma le misurazioni di laboratorio hanno alcune limitazioni: la produzione di campioni limita il numero di curve che possono essere prodotte e le curve generate in laboratorio non rappresentano il comportamento in situ. Tuttavia, le curve di ritenzione idrica del suolo prodotte in laboratorio possono essere abbinate alle informazioni delle curve di rilascio dell'umidità in situ per ottenere una visione più approfondita della variabilità del mondo reale. La co-localizzazione di sensori di potenziale matrico e di contenuto idrico in situ aggiunge molte altre curve di rilascio dell'umidità alla base di conoscenze del ricercatore. Inoltre, poiché sono soprattutto le prestazioni in situ dei terreni insaturi a preoccupare gli ingegneri geotecnici e gli scienziati dell'irrigazione, l'aggiunta di misure in situ alle curve prodotte in laboratorio sarebbe l'ideale. Un recente articolo di Campbell et al. (2018), "Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab", presentato alla Pan American Conference of Unsaturated Soils (Conferenza panamericana dei suoli insaturi), mostra come le SWCC generate in situ utilizzando il sensore di potenziale matrico calibrato TEROS 21 e isensori di umidità del suolo METER siano comparabili con quelle create in laboratorio. Le SWCC di campo e di laboratorio si sono confrontate abbastanza bene, ma alcuni fattori hanno ridotto la loro concordanza. Nei terreni a tessitura grossolana, la rimozione delle radici vive ha causato una divergenza con l'aumento dell'aspirazione del suolo e i campioni intatti sono stati confrontati più favorevolmente di quelli disturbati. Nei terreni a tessitura più fine, i confronti erano favorevoli, ma venivano influenzati anche quando i campioni di laboratorio erano disturbati. I dati suggeriscono che i sensori in situ collocati potrebbero fornire un'importante integrazione ai dati di laboratorio per sviluppare un'ampia gamma di SWCC al fine di creare una comprensione più solida del comportamento del suolo insaturo.
Mescolare, abbinare e confrontare la conducibilità idraulica in laboratorio o sul campo
Come le curve di rilascio dell'umidità del suolo in laboratorio e in situ, anche le misure di laboratorio e di campo della conducibilità idraulica satura e insatura possono essere utilizzate in tandem per una comprensione più approfondita delle proprietà idrauliche di qualsiasi tipo di suolo. Il confronto di queste misure a diverse profondità e posizioni può fornire informazioni sui vari orizzonti del suolo e aiutare i ricercatori a comprendere i dati di infiltrazione a lungo termine di ciascuno di questi orizzonti (ad esempio, se un orizzonte diventa saturo, come cambierà il modello di deflusso?)
Gli scienziati possono utilizzare strumenti sul campo per determinare la capacità di infiltrazione dell'acqua e aggiungere misure di laboratorio per identificare l'orizzonte più limitante. Per esempio, un orizzonte superficiale può essere un terriccio sabbioso, ma il sito PARIO potrebbe rivelare che uno strato più profondo ha un contenuto di argilla più elevato con una conducibilità idraulica inferiore. L'uso congiunto delle misure di laboratorio e di campo aiuta a determinare quale orizzonte causa una minore permeabilità durante i periodi più umidi.
I dati di conducibilità idraulica satura del campo SATURO possono essere integrati con KSAT misure di laboratorio. I dati di conducibilità idraulica insatura sul campo prodotti dal sistema di misura della conducibilità idraulica insatura Mini Disk Infiltrometer possono essere compresi a un livello più profondo se il ricercatore li abbina ai dati di conducibilità idraulica insatura del laboratorio HYPROP . HYPROP utilizza gli stessi tensiometri interni che generano le curve di rilascio dell'umidità per misurare automaticamente la conducibilità idraulica insatura e quindi modellare la conducibilità idraulica satura. In genere, le misure di laboratorio e quelle sul campo non coincidono a causa della variabilità del mondo reale, ma l'analisi congiunta delle informazioni fornisce una maggiore comprensione.
Imparare a combinare la conducibilità idraulica con altre misure
Cosa ci dice una curva di conducibilità idraulica
I ricercatori possono anche combinare i dati di conducibilità idraulica provenienti da due strumenti di laboratorio, KSAT e HYPROP, per produrre una curva di conducibilità idraulica completa (Figura 2). Una curva di conducibilità idraulica indica, a un dato potenziale idrico, la capacità del terreno di condurre l'acqua (cioè, quando il terreno si asciuga, qual è la capacità dell'acqua di passare dalla parte superiore di un campione [o di uno strato di terreno sul campo] alla parte inferiore). Queste curve sono utilizzate nella modellazione per illustrare o prevedere cosa accadrà all'acqua che si muove in un sistema di suolo durante le fluttuazioni delle condizioni di umidità.
Per saperne di più sulle curve di conducibilità idraulica
Nel video qui sotto, l'esperto di umidità del suolo Leo Rivera insegna le basi della conducibilità idraulica e delle curve di conducibilità idraulica.
Più strumenti creano una sinfonia di dati
La misurazione di un solo parametro, come il contenuto d'acqua, può fornire ai ricercatori un punto di partenza per la comprensione del terreno, ma non sarà possibile capire cosa dice quella percentuale d'acqua senza conoscere altre informazioni come il tipo di terreno, il potenziale idrico o la conducibilità idraulica. Per avere una visione più approfondita del suolo, i ricercatori possono utilizzare la distribuzione granulometrica, le curve di conducibilità idraulica e le curve di rilascio dell'umidità di concerto per ottenere le informazioni più accurate e complete. L'uso di due tipi diversi di curve può persino aiutare i ricercatori a isolare problemi oscuri, come una curva di rilascio dell'umidità a doppia porosità in un substrato privo di suolo. Gli strumenti di laboratorio e di campo utilizzati insieme possono fornire ai ricercatori una sinfonia di informazioni e possono essere utilizzati come potenti strumenti per comprendere i dati e prevedere il comportamento di un terreno nel tempo.
Partecipate al nostro corso sull'umidità del suolo
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.
Domande?
I nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e coltivatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera.
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