Niezależnie od tego, czy jesteś studentem rozpoczynającym kampanię pomiarów środowiskowych, doświadczonym badaczem, czy hodowcą zajmującym się zarządzaniem nawadnianiem, w pewnym momencie prawdopodobnie zdałeś sobie sprawę, że musisz zmierzyć wilgotność gleby. Dlaczego? Ponieważ dostępność wody jest jednym z głównych czynników wpływających na produktywność ekosystemu, a wilgotność gle by (tj. zawartość wody w glebie/potencjał wody w glebie) jest bezpośrednim źródłem wody dla większości roślin. Czym jest wilgotność gleby? Poniżej znajduje się kompleksowe spojrzenie na pomiar wilgotności gleby oraz omówienie niektórych ważnych terminów naukowych używanych w połączeniu z wilgotnością gleby.
Wilgotność gleby to coś więcej niż tylko znajomość ilości wody w glebie. Istnieją podstawowe zasady, które należy znać przed podjęciem decyzji o sposobie pomiaru. Oto kilka pytań, które mogą pomóc skupić się na tym, co faktycznie próbujesz ustalić.
W zależności od tego, które z tych pytań Cię interesuje, wilgotność gleby może oznaczać coś zupełnie innego.
Większość ludzi patrzy na wilgotność gleby tylko w kategoriach jednej zmiennej: zawartości wody w glebie. Jednak do opisania stanu wody w glebie wymagane są dwa rodzaje zmiennych: zawartość wody, która jest ilością wody, oraz potencjał wody (ssanie gleby), który jest stanem energetycznym wody.
Zawartość wody w glebie jest bardzo zmienna. Zmienia się w zależności od wielkości i sytuacji. Definiuje się ją jako ilość wody na całkowitą jednostkę objętości lub masy. Zasadniczo jest to ilość wody w glebie.
Potencjał wody jest zmienną "intensywną", która opisuje intensywność lub jakość materii lub energii. Jest on często porównywany do temperatury. Podobnie jak temperatura wskazuje poziom komfortu człowieka, potencjał wody może wskazywać poziom komfortu rośliny. Potencjał wody to energia potencjalna na mol (jednostkę masy, objętości, wagi) wody w odniesieniu do czystej wody o zerowym potencjale. Potencjał wody można postrzegać jako pracę wymaganą do usunięcia niewielkiej ilości wody z gleby i umieszczenia jej w basenie z czystą, wolną wodą.
Dowiedz się więcej o zmiennych intensywnych i ekstensywnych
Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po potencjale wody"
W tym artykule krótko przeanalizowano dwie różne metody pomiaru zawartości wody w glebie: grawimetryczną zawartość wody i objętościową zawartość wody.
Grawimetryczna zawartość wody to masa wody na masę gleby (tj. gramy wody na gram gleby). Jest to podstawowa metoda pomiaru zawartości wody w glebie, ponieważ ilość wody w glebie jest mierzona bezpośrednio poprzez pomiar masy. Oblicza się ją poprzez zważenie mokrej gleby pobranej z pola, wysuszenie jej w piecu, a następnie zważenie suchej gleby.
Grawimetryczna zawartość wody jest równa masie mokrej gleby pomniejszonej o masę suchej gleby podzielonej przez masę suchej gleby. Innymi słowy, masa wody podzielona przez masę gleby.
Objętościowa zawartość wody to objętość wody przypadająca na całkowitą objętość gleby.
Wolumetryczna zawartość wody opisuje to samo, co grawimetryczna zawartość wody, z wyjątkiem tego, że jest podawana w oparciu o objętość.
Na przykład składniki znanej objętości gleby pokazano na rysunku 1. Suma wszystkich składników wynosi 100%. Ponieważ objętościowa zawartość wody (VWC) jest równa objętości wody podzielonej przez całkowitą objętość gleby, w tym przypadku VWC wyniesie 35%. VWC jest czasami podawana jako cm3/cm3 lub cale na stopę.
Grawimetryczną zawartość wody(w) można przeliczyć na objętościową zawartość wody(ϴ), mnożąc ją przez gęstość nasypową gleby w stanie suchym(⍴b) (równanie 3).
Ponieważ grawimetryczna zawartość wody jest pierwszorzędną (lub bezpośrednią) metodą pomiaru ilości wody w glebie, jest ona wykorzystywana do opracowywania kalibracji i walidacji odczytów prawie wszystkich pomiarów VWC, które są wykrywane in situ lub zdalnie. Jeśli masz czujnik dielektryczny, masz pewną zależność, która przekształca to, co odczytujesz w polu elektromagnetycznym, w zawartość wody w glebie. Jeśli więc nie masz pewności, czy wolumetryczna zawartość wody jest prawidłowa, pobierz próbkę gleby, zmierz grawimetryczną zawartość wody, pobierz próbkę gęstości nasypowej i sprawdź sam.
Wilgotność gleby to coś więcej niż tylko znajomość ilości wody w glebie. Poznaj podstawowe zasady, które musisz znać przed podjęciem decyzji o sposobie jej pomiaru. Podczas tego 20-minutowego webinarium dowiesz się:
Większość pomiarów objętościowej zawartości wody jest wykonywana przy użyciu pewnego rodzaju czujnika. Czujniki zawartości wody METER wykorzystują technologię pojemnościową. Aby dokonać pomiaru, czujniki te wykorzystują "polaryzację" wody. Jak to działa?
Rysunek 2 przedstawia cząsteczkę wody. Na górze znajduje się biegun ujemny z atomem tlenu, a na dole biegun dodatni z dwoma atomami wodoru. Gdybyśmy wprowadzili do gleby pole elektromagnetyczne (rysunek 3), ta cząsteczka wody zwróciłaby na siebie uwagę. Jeśli pole zostałoby odwrócone, zatańczyłaby w drugą stronę. W ten sposób, tworząc pole elektromagnetyczne z czujnikiem zawartości wody, można zmierzyć wpływ wody na to pole elektromagnetyczne. Jeśli w glebie jest więcej wody, efekt będzie większy. Więcej informacji na temat technologii pojemnościowej można znaleźć tutaj.
Korzystanie z czujnika zawartości wody w glebie otwiera możliwość tworzenia szeregów czasowych (rysunek 4), potężnego narzędzia wykorzystywanego do zrozumienia tego, co dzieje się w glebie. Pomiar grawimetrycznej zawartości wody wymaga pobrania próbki lub serii próbek i dostarczenia ich do laboratorium. Jeśli potrzebujesz serii czasowej, jest to niepraktyczne, ponieważ zasadniczo musiałbyś cały czas pobierać próbki w terenie.
Dzięki czujnikowi zawartości wody można automatycznie mierzyć czas zmian zawartości wody w glebie i porównywać głębokości w profilu. Kształty tych krzywych dostarczają ważnych informacji o tym, co dzieje się z wodą w glebie.
Tabela 1 porównuje różne metody wykrywania gleby.
| Grawimetryczna zawartość wody | Czujniki VWC | Teledetekcja (SMOS) |
|---|---|---|
| Pierwsze zasady/metoda bezpośrednia | Wygodny dla serii czasowych | Możliwość tworzenia szeregów czasowych w ograniczonej skali |
| Czasochłonne | Umożliwia wykrywanie profilu w czasie | Niezwykle wydajne próbkowanie przestrzenne |
| Destrukcyjny | Mniej inwazyjny | |
| Tylko jedna migawka w czasie |
Tabela 1. Porównanie metod wykrywania gleby
Grawimetryczny pomiar zawartości wody jest dobrym pomiarem, ale jest czasochłonny, niszczący i daje jedynie migawkę w czasie. Czujniki zawartości wody w glebie zapewniają szereg czasowy, umożliwiają pomiar profilu w czasie i pozwalają uniknąć niszczącego pobierania próbek, chociaż czujnik jest nadal umieszczany w glebie. Teledetekcja zapewnia szeregi czasowe w ograniczonej skali, ale jest niezwykle skuteczna w próbkowaniu przestrzennym, co jest ważne przy pomiarze zawartości wody. Czujniki wilgotności gle by METER zmniejszają zakłócenia dzięki specjalistycznemu narzędziu instalacyjnemu, zaprojektowanemu w celu zminimalizowania zakłóceń na miejscu (obejrzyj film, aby zobaczyć, jak to działa).
Aby uzyskać dokładne dane dotyczące wilgotności gleby, priorytetem powinna być prawidłowa instalacja czujnika. Podczas pomiarów w glebie naturalne zmiany gęstości mogą powodować utratę dokładności na poziomie 2-3%, ale zła instalacja może potencjalnie spowodować utratę dokładności większą niż 10%. Zła instalacja jest najczęstszym źródłem błędów w danych dotyczących wilgotności gleby, ale istnieją techniki, które zapewnią idealną instalację za każdym razem. Chris Chambers, ekspert w dziedzinie instalacji czujników, wyjaśnia, dlaczego potrzebna jest bardziej inteligentna instalacja czujnika wilgotności gleby i jak to osiągnąć.
Dowiedz się:
Jeśli chodzi o objętościową zawartość wody, sucha gleba w piecu to z definicji 0% VWC. Jest to jeden zdefiniowany punkt końcowy. Czysta woda znajduje się na drugim końcu skali i wynosi 100%. Wiele osób uważa, że 100% VWC to w pełni nasycona gleba, ale tak nie jest. Każdy rodzaj gleby nasyca się przy różnej zawartości wody.
Jednym ze sposobów spojrzenia na to jest procent nasycenia:
% nasycenia = VWC/porowatość * 100
Znając porowatość danego typu gleby, można w przybliżeniu określić zawartość wody w stanie nasycenia. Jednak gleby rzadko osiągają nasycenie w terenie. Dlaczego?
Na rysunku 5 widać, że gdy gleba adsorbuje wodę, tworzy film wodny, który przylega do cząstek gleby. Istnieją również pory wypełnione powietrzem. W warunkach polowych trudno jest wyeliminować te przestrzenie powietrzne. To właśnie dlatego procent nasycenia rzadko będzie równy teoretycznemu maksimum nasycenia dla danego typu gleby.
Potencjał wody to kolejna zmienna używana do opisu wilgotności gleby. Jak wspomniano wcześniej, jest on definiowany jako stan energetyczny gleby lub energia potencjalna na mol wody w odniesieniu do czystej wody o zerowym potencjale. Co to oznacza? Aby zrozumieć tę zasadę, porównaj wodę w próbce gleby do wody w szklance. Woda w szklance jest względnie wolna i dostępna; woda w glebie jest związana z powierzchniami i może być rozcieńczona przez substancje rozpuszczone, a nawet pod ciśnieniem. W rezultacie woda w glebie ma inny stan energetyczny niż "wolna" woda. Wolna woda może być dostępna bez wywierania jakiejkolwiek energii. Woda glebowa może być wydobyta tylko poprzez wydatkowanie energii równej lub większej energii, z jaką jest utrzymywana. Potencjał wody wyraża ilość energii, jaką należy poświęcić, aby wyciągnąć wodę z próbki gleby.
Potencjał wody jest sumą czterech różnych składników: potencjału grawitacyjnego + potencjału matric + potencjału ciśnienia + potencjału osmotycznego (równanie 4).
Potencjał matrykalny jest najważniejszym składnikiem gleby, ponieważ odnosi się do wody przylegającej do powierzchni gleby. Na rysunku 6 potencjał macierzowy jest tym, co stworzyło film wodny przylegający do cząstek gleby. Gdy woda odpływa z gleby, wypełnione powietrzem przestrzenie porów stają się większe, a woda staje się ściślej związana z cząstkami gleby, gdy potencjał macierzowy maleje. Obejrzyj poniższy film, aby zobaczyć potencjał matrykalny w akcji.
Gradient potencjału wody jest siłą napędową przepływu wody w glebie. Potencjał wody w glebie jest najlepszym wskaźnikiem wody dostępnej dla roślin(dowiedz się dlaczego tutaj). Podobnie jak w przypadku zawartości wody, potencjał wody można mierzyć za pomocą czujników zarówno w laboratorium, jak i w terenie. Oto kilka przykładów różnych typów terenowych czujników potencjału wody.
Woda będzie przemieszczać się z lokalizacji o wyższej energii do lokalizacji o niższej energii, aż lokalizacje osiągną równowagę, jak pokazano na rysunku 6. Na przykład, jeśli potencjał wody w glebie wynosiłby -50 kPa, woda przemieszczałaby się w kierunku bardziej ujemnego -100 kPa, aby stać się bardziej stabilna.
Jest to również zbliżone do tego, co dzieje się w kontinuum atmosfery gleby rośliny. Na rysunku 7 gleba ma wartość -0,3 MPa, a korzenie mają nieco bardziej ujemną wartość -0,5 MPa. Oznacza to, że korzenie wyciągają wodę z gleby. Następnie woda będzie przemieszczać się w górę przez ksylem, wydostając się przez liście w poprzek tego gradientu potencjału. Atmosfera o ciśnieniu -100 MPa napędza ten gradient. Potencjał wody określa więc kierunek, w którym woda będzie przemieszczać się w systemie.
Woda dostępna dla roślin to różnica w zawartości wody między pojemnością pola a punktem trwałego więdnięcia w glebie lub podłożu uprawowym (patrz definicje poniżej). Większość upraw doświadczy znacznej utraty plonów, jeśli gleba wyschnie nawet w pobliżu punktu trwałego więdnięcia. Aby zmaksymalizować plony, zawartość wody w glebie będzie zazwyczaj utrzymywana znacznie powyżej punktu trwałego więdnięcia, ale woda dostępna dla roślin jest nadal użyteczną koncepcją, ponieważ informuje o wielkości zbiornika wodnego w glebie. Posiadając podstawową wiedzę na temat rodzaju gleby, pojemność pola i punkt trwałego więdnięcia można oszacować na podstawie pomiarów wykonanych przez czujniki wilgotności gleby in situ. Czujniki te dostarczają ciągłych danych o zawartości wody w glebie, które mogą pomóc w podejmowaniu decyzji dotyczących zarządzania nawadnianiem w celu zwiększenia plonów i efektywności wykorzystania wody.
Polowa pojemność wodna jest definiowana jako "zawartość wody w masie lub objętości pozostającej w glebie dwa lub trzy dni po zwilżeniu wodą i po tym, jak swobodny drenaż jest znikomy". Glosariusz terminów gleboznawczych. Soil Science Society of America, 1997. Często przyjmuje się, że jest to zawartość wody przy potencjale wodnym -33 kPa dla gleb o drobnej teksturze lub -10 kPa w glebach piaszczystych, ale są to tylko przybliżone punkty wyjścia. Rzeczywista pojemność polowa zależy od charakterystyki profilu glebowego. Należy ją określić na podstawie danych dotyczących zawartości wody monitorowanych w terenie. Jeśli patrzysz na dane dotyczące pojemności polowej, dobrze jest wiedzieć, w jaki sposób ten punkt został osiągnięty.
Pomimo tego, że zazwyczaj określamy pojemność polową w kategoriach potencjału wody, ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że jest to tak naprawdę właściwość przepływu. Woda przemieszcza się w dół profilu glebowego pod wpływem gradientu potencjału grawitacyjnego. Będzie poruszać się w dół w nieskończoność, ale gdy gleba wysycha, przewodność hydrauliczna gwałtownie spada, ostatecznie czyniąc przepływ w dół niewielkim w porównaniu ze stratami wynikającymi z parowania i transpiracji. Pomyśl o glebie jak o nieszczelnym wiadrze. Rośliny próbują złapać część wody, gdy przemieszcza się ona w dół przez strefę korzeniową.
Na przeciwległym końcu skali znajduje się punkt trwałego więdnięcia. Punkt trwałego więdnięcia został eksperymentalnie określony u słoneczników i zdefiniowany jako -15 barów (-1500 kPa, Briggs i Shantz, 1912, s. 9). Jest to potencjał gleby, przy którym słoneczniki więdną i nie są w stanie zregenerować się w ciągu nocy. Teoretycznie jest to pusty zbiornik, w którym następuje całkowita utrata ciśnienia turgorowego, a roślina więdnie. Ale -1500 kPa niekoniecznie jest punktem więdnięcia dla wszystkich roślin. Wiele roślin "więdnie" w różnych punktach; niektóre rośliny zaczynają chronić się przed trwałymi uszkodzeniami znacznie wcześniej niż -1500 kPa, a niektóre znacznie później. Tak więc -1500 kPa jest użytecznym punktem odniesienia w glebie, ale należy pamiętać, że kaktus prawdopodobnie nie dba o -1500 kPa, a sosna ponderosa z pewnością nie wyłączy się w tym punkcie. Może to więc oznaczać różne rzeczy dla różnych roślin lub upraw (czytaj więcej: M.B. Kirkham. Principles of Soil and Plant Water Relations, 2005, Elsevier).
Możesz szybko i łatwo określić stały punkt więdnięcia dowolnej gleby za pomocą METER WP4C.
Aby wyciągnąć miarodajne wnioski na temat zawartości wody, trzeba wiedzieć coś o typie gleby.
Rysunek 8 przedstawia wykres najpopularniejszych klas tekstur, od piasku do gliny. Każda tekstura ma inny rozkład wielkości cząstek. Tabela 2 ilustruje, że przy -1500 kPa (punkt trwałego więdnięcia) każda klasa tekstury ma inną zawartość wody. To samo dotyczy pojemności pola.
| Tekstura | FC (v%) | PWP (v%) |
|---|---|---|
| Piasek | 5 | 1 |
| Piasek gliniasty | 10 | 2 |
| Glina piaszczysta | 17 | 6 |
| Glina piaszczysta | 32 | 19 |
| Glina | 27 | 14 |
| Sandy Clay | 38 | 28 |
| Glina pylasta | 27 | 13 |
| Muł | 24 | 10 |
| Glina ilasta | 36 | 23 |
| Glina pylasta | 36 | 22 |
| Glina pylasta | 40 | 28 |
| Glina | 42 | 32 |
Tabela 2. Reprezentatywna pojemność polowa i punkt trwałego więdnięcia dla różnych tekstur gleby
Co ciekawe, glina piaszczysto-gliniasta może mieć 32% VWC przy pojemności pola (co jest dobrze nawodnioną glebą), ale dla gliny 32% VWC jest w punkcie stałego więdnięcia. Oznacza to, że podczas instalowania czujników należy pobrać próbkę gleby, aby upewnić się, że znasz teksturę gleby i wiesz, co się w niej dzieje. Jest to szczególnie ważne, gdy występują zmiany w typie gleby: zmiany w profilu glebowym lub zmienność przestrzenna w zależności od miejsca. Należy pamiętać, że potencjał wody nie zmienia się wraz z sytuacją. Dla wszystkich tych typów gleby -33 kPa to -33 kPa, niezależnie od tego, czy jest to glina, czy piasek. Jeśli spojrzeć na glebę gliniasto-ilastą jako rodzaj gleby o średniej teksturze, jej zawartość wody -33 kPa wynosi 27%, a zawartość wody -1500 kPa wynosi 13%. Przy typowej gęstości nasypowej całkowita przestrzeń porów wynosi około 50%. Gdyby została ona wypełniona, gleba byłaby nasycona. Tak więc, zaczynając od nasycenia (zakładając, że pojemność polowa wynosi -33 kPa), połowa wody odpłynęłaby, aby osiągnąć pojemność polową. Około połowa pozostałej wody to woda dostępna dla roślin. Gdy roślina pobierze całą dostępną wodę, ilość wody w przybliżeniu równa ilości wody dostępnej dla rośliny nadal znajduje się w glebie, ale nie może zostać usunięta przez roślinę.
Urządzenie PARIO to urządzenie, które automatycznie określi rodzaj gleby i rozkład wielkości cząstek dla dowolnej gleby.
Istnieje związek między potencjałem wody a objętościową zawartością wody, który można zilustrować za pomocą krzywej retencji wody w glebie (czasami nazywanej krzywą uwalniania wilgoci lub krzywą charakterystyki wody w glebie). Rysunek 9 przedstawia przykładowe krzywe dla trzech różnych gleb. Na osi x znajduje się potencjał wody w skali logarytmicznej, a na osi Y - objętościowa zawartość wody. Krzywe retencji wody w glebie są jak fizyczne odciski palców, unikalne dla każdej gleby. Wynika to z faktu, że zależność między potencjałem wodnym a zawartością wody w glebie jest inna dla każdej gleby. Dzięki tej zależności można dowiedzieć się, jak różne gleby będą zachowywać się w dowolnym miejscu krzywej. Można odpowiedzieć na kluczowe pytania, takie jak: czy woda szybko odpłynie z gleby, czy też zostanie zatrzymana w strefie korzeniowej? Krzywe retencji wody w glebie są potężnymi narzędziami wykorzystywanymi do przewidywania poboru wody przez rośliny, głębokiego drenażu, spływu i nie tylko. Dowiedz się więcej o tym, jak to działa tutaj lub obejrzyj Wilgotność gleby 201.
Urządzenie HYPROP to urządzenie, które automatycznie generuje krzywe retencji wody w glebie w zakresie wilgotnym. Można tworzyć krzywe retencji w całym zakresie wilgotności gleby, łącząc HYPROP i WP4C.
Przed rozpoczęciem kampanii pomiaru wilgotności gleby należy zadać sobie następujące pytania:
Jeśli chcesz wiedzieć, ile wody jest przechowywane w glebie, powinieneś skupić się na zawartości wody w glebie. Jeśli chcesz wiedzieć, gdzie woda będzie się przemieszczać, właściwym pomiarem jest potencjał wody. Aby zrozumieć, czy rośliny mogą pobierać wodę, należy zmierzyć potencjał wody.
Przeczytaj więcej na ten temat w artykule: "Dlaczego wilgotność gleby nie powie Ci wszystkiego, co musisz wiedzieć". Jeśli jednak chcesz wiedzieć, kiedy podlewać lub ile wody jest przechowywane w glebie dla roślin, prawdopodobnie potrzebujesz zarówno zawartości wody, jak i potencjału wodnego. Wynika to z faktu, że musisz wiedzieć, ile wody fizycznie znajduje się w glebie i musisz wiedzieć, w którym momencie rośliny nie będą w stanie jej pobrać. Dowiedz się więcej o tym, jak to działa w artykule: "Kiedy podlewać: podwójne pomiary rozwiązują zagadkę".
Kirkham, Mary Beth. Zasady stosunków wodnych gleby i roślin. Academic Press, 2014.
Taylor, Sterling A. i Gaylen L. Ashcroft. Edafologia fizyczna. Fizyka gleb nawadnianych i nienawadnianych. 1972.
Hillel, Daniel. Podstawy fizyki gleby. Academic Press, 2013.
Dane, Jacob H., G. C. Topp i Gaylon S. Campbell. Metody fizycznej analizy gleby. Nr 631.41 S63/4. 2002.
Zrozumienie różnic między czujnikami wilgotności gleby może być mylące. Dwa poniższe wykresy porównują najpopularniejsze metody pomiaru wilgotności gleby, zalety i wady każdej z nich oraz to, w jakich sytuacjach każda z metod może być przydatna. Wszystkie czujniki wilgotności gleby METER wykorzystują technikę pomiaru pojemnościowego o wysokiej częstotliwości oraz narzędzie instalacyjne ułatwiające instalację i zapewniające najwyższą możliwą dokładność. Aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat każdej metody pomiaru, obejrzyj nasze webinarium Wilgotność gleby 102.
| Czujnik | Plusy | Wady | Kiedy używać |
|---|---|---|---|
| Opór Sondy |
1. Pomiary ciągłe mogą być zbierane za pomocą rejestratora danych 2. Najniższa cena 3. Niskie zużycie energii |
1. Niska dokładność: kalibracja zmienia się w zależności od rodzaju gleby i zawartości soli w glebie 2. Czujniki z czasem ulegają degradacji |
1. Gdy chcesz tylko wiedzieć, czy zmieniła się zawartość wody i nie zależy Ci na dokładności. |
| Sondy TDR (Time Domain) |
1. Pomiary ciągłe mogą być zbierane za pomocą rejestratora danych 2. Dokładność dzięki kalibracji specyficznej dla gleby (2-3%) 3. Niewrażliwy na zasolenie aż do zaniku sygnału 4. Szanowany przez recenzentów |
1. Bardziej skomplikowane w użyciu niż pojemność* 2. Instalacja zajmuje więcej czasu, ponieważ trzeba wykopać rów, a nie dziurę. 3. Przestaje działać przy wysokim zasoleniu 4. Zużywa dużo energii (duże akumulatory) |
1. Jeśli laboratorium posiada już system. Są one droższe i bardziej złożone niż pojemność, a badania pokazują, że zarówno TDR, jak i pojemność są równie dokładne z kalibracją |
| Czujniki pojemnościowe | 1. Pomiary ciągłe mogą być zbierane za pomocą rejestratora danych 2. Niektóre typy są łatwe w instalacji 3. Dokładność z kalibracją specyficzną dla gleby (2-3%) 4. Zużywa mało energii (małe baterie z niewielkim panelem słonecznym lub bez niego) 5. Niedrogi, za wydane pieniądze można uzyskać znacznie więcej pomiarów |
1. Staje się niedokładny przy wysokim zasoleniu (powyżej 8 dS/m ekstraktu nasycenia)**. 2. Niektóre marki o niskiej jakości zapewniają niską dokładność i wydajność. |
1. Potrzebujesz wielu lokalizacji pomiarowych 2. Potrzebujesz systemu, który jest łatwy do wdrożenia i utrzymania. 3. Niski pobór mocy 4. Więcej pomiarów w przeliczeniu na wydanego dolara |
| Sonda neutronowa | 1. Duża objętość pomiarowa 2. Niewrażliwość na zasolenie 3. Szanowana przez recenzentów, ponieważ metoda istnieje najdłużej 4. Brak problemów związanych z kontaktem czujnika z glebą |
1. Drogie 2. Wymaga certyfikatu radiacyjnego do działania 3. Niezwykle czasochłonne 4. Brak ciągłego pomiaru |
1. Masz już sondę neutronową w swoim programie z certyfikatem i wiesz już, jak interpretować dane z sondy neutronowej. 2. Wykonujesz pomiary w glebach silnie zasolonych lub pęczniejących, gdzie utrzymanie kontaktu stanowi problem. |
| COSMOS | 1. Niezwykle duży zasięg oddziaływania (800 m) 2. Automatyzacja 3. Skuteczny do naziemnego sprawdzania danych satelitarnych, ponieważ wygładza zmienność na dużym obszarze 4. Nie ma wpływu na problemy związane z kontaktem czujnika z glebą |
1. Najdroższe 2. Objętość pomiarowa jest słabo zdefiniowana i zmienia się wraz z zawartością wody w glebie 3. Dokładność może być ograniczona przez czynniki zakłócające, takie jak roślinność. |
1. Gdy trzeba uzyskać średnią zawartość wody na dużym obszarze 2. W celu sprawdzenia danych satelitarnych |
*Acclima i Campbell Scientific produkują czujniki/sondy profilowe TDR, które mają wbudowane obwody pomiarowe, co pozwala przezwyciężyć złożoność większości systemów TDR.
**Zależy to od częstotliwości pomiaru, im wyższa częstotliwość, tym niższa czułość.
| Odporność | TDR | Pojemność | Sonda neutronowa | COSMOS | |
|---|---|---|---|---|---|
| Cena | Najniższy | Umiarkowany do wysokiego | Niski do umiarkowanego | Wysoki | Najwyższy |
| Dokładność | Niski | Wysoki* (z kalibracją specyficzną dla gleby) |
Wysoki* (z kalibracją specyficzną dla gleby) |
Niski (poprawia się po kalibracji w terenie) | Nieznany |
| Złożoność | Łatwy | Łatwy do średnio zaawansowanego | Łatwy | Trudne | Trudne |
| Wykorzystanie mocy | Niski | Umiarkowany do wysokiego | Niski | NIE DOTYCZY | Wysoki |
| Wrażliwość na zasolenie | Ekstremalny | 1. Brak przy niskim lub średnim zasoleniu 2. Tak przy wysokim zasoleniu |
Tak przy wysokim zasoleniu | Nie | Nie |
| Trwałość | Niski | Wysoki | Wysoki | Wysoki | Wysoki |
| Wielkość wpływu | Mały obszar między sondą A i sondą B | 0,25 litra do 2 litrów w zależności od długości sondy i kształtu pola elektromagnetycznego | 0,25 litra do 2 litrów w zależności od długości sondy i kształtu pola elektromagnetycznego | Kula o średnicy 20 cm, gdy gleba jest mokra, kula o średnicy 40 cm, gdy gleba jest sucha | Średnica 800 metrów |
*Niektóre marki niskiej jakości wykazują niską dokładność i słabą wydajność. Największym zagrożeniem dla dokładności zarówno czujników TDR, jak i pojemnościowych są szczeliny powietrzne spowodowane złą instalacją, a następnie aktywność gliny w glebie (tj. gliny smektytowe), a następnie zasolenie.
METER stworzył nową linię czujników TEROS , aby wyeliminować bariery dla dobrej dokładności, takie jak niespójność instalacji, zmienność między czujnikami i weryfikacja czujników. Czujniki wilgotności glebyTEROS łączą spójną, bezbłędną instalację z narzędziem instalacyjnym, wyjątkowo solidną konstrukcją, minimalną zmiennością między czujnikami, dużą objętością wpływu i zaawansowanym rejestrowaniem danych, aby zapewnić najlepszą wydajność, dokładność, łatwość obsługi i niezawodność w cenie, na którą możesz sobie pozwolić.
Chcesz poznać więcej szczegółów? W poniższym webinarium ekspert ds. wilgotności gleby Leo Rivera wyjaśnia, dlaczego poświęciliśmy 20 lat na stworzenie nowej linii czujników TEROS .
Aby uzyskać większą dokładność, należy rozważyć kalibrację specyficzną dla gleby. Czujniki wilgotności gleby METER mierzą objętościową zawartość wody w glebie poprzez pomiar stałej dielektrycznej gleby, która jest silną funkcją zawartości wody. Jednak nie wszystkie gleby mają identyczne właściwości elektryczne. Ze względu na różnice w gęstości nasypowej gleby, mineralogii, teksturze i zasoleniu, ogólna kalibracja mineralna dla obecnych czujników METER zapewnia dokładność około ± 3 do 4% dla większości gleb mineralnych i około ± 5% dla bezglebowych podłoży wzrostowych (ziemia doniczkowa, wełna mineralna, włókno kokosowe itp.). Jednakże dokładność wzrasta do ± 1 do 2% dla gleb i podłoży bezglebowych z kalibracją specyficzną dla gleby. METER zaleca użytkownikom czujników wilgotności gleby przeprowadzenie kalibracji specyficznej dla gleby lub skorzystanie z naszej usługi kalibracji specyficznej dla gleby w celu uzyskania najlepszej możliwej dokładności pomiarów objętościowej zawartości wody.
| TEROS 12 | TEROS 11 | TEROS 10 | EC-5 | 10HS | |
|---|---|---|---|---|---|
| Środki | Objętościowa zawartość wody, temperatura, przewodność elektryczna | Objętościowa zawartość wody, temperatura | Objętościowa zawartość wody | Objętościowa zawartość wody | Objętościowa zawartość wody |
| Wielkość wpływu | 1010 ml | 1010 ml | 430 ml | 240 ml | 1320 ml |
| Wyjście pomiarowe | Cyfrowe SDI-12 | Cyfrowe SDI-12 | Analogowy | Analogowy | Analogowy |
| Żywotność w terenie | 10+ lat | 10+ lat | 10+ lat | 3-5 lat* | 3-5 lat* |
| Trwałość | Najwyższy | Najwyższy | Najwyższy | Umiarkowany | Umiarkowany |
| Instalacja | Narzędzie instalacyjne zapewniające wysoką dokładność | Narzędzie instalacyjne zapewniające wysoką dokładność | Narzędzie instalacyjne zapewniające wysoką dokładność | Instalacja ręczna | Instalacja ręczna |
Tabela 1. Tabela porównawcza czujników wilgotności gleby
*Wybierz czujnik o długiej żywotności, taki jak TEROS , jeśli warunki w terenie są zazwyczaj ciepłe i wilgotne.
Liczba czujników wilgotności gleby zainstalowanych w miejscu badań może stanowić różnicę między udowodnieniem hipotezy a jej całkowitym pominięciem. Ile czujników zapewni najbardziej kompletny obraz wilgotności gleby? Żadna pojedyncza odpowiedź nie obejmuje wszystkich scenariuszy. Cele badania, wymagania dotyczące dokładności, skala i specyfika terenu mają wpływ na liczbę wymaganych czujników. Ponadto wilgotność gleby jest zmienna zarówno przestrzennie, jak i czasowo. Zrozumienie sił napędowych tej zmienności daje badaczom wgląd w sposób pobierania próbek.
W obrębie badanego obszaru zmienność wilgotności gleby wynika z różnic w teksturze gleby, ilości i rodzaju pokrywy roślinnej, topografii, opadów i innych czynników pogodowych, praktyk zarządzania i właściwości hydraulicznych gleby (jak szybko woda przepływa przez glebę). Badacze powinni wziąć pod uwagę zmienność cech krajobrazu, aby zorientować się, ile lokalizacji próbek jest niezbędnych do uchwycenia różnorodności wilgotności gleby.
Zawartość wody w glebie może również zmieniać się w czasie, zmieniając się wraz z opadami, suszą, nawadnianiem i ewapotranspiracją oraz w przewidywalnych wzorcach związanych z sezonową pogodą i różnorodnością roślinności (Wilson i in., 2004). Chociaż jest to łatwa do zrozumienia koncepcja, staje się ona bardziej złożona, gdy weźmie się pod uwagę zmienność wynikającą z interakcji między dynamiką czasową i przestrzenną.
Poniższe przykłady wykorzystują symulowane dane do zilustrowania wpływu różnic przestrzennych i czasowych na wilgotność gleby. W pierwszym przykładzie zawartość wilgoci w glebie jest symulowana dla tego samego badanego obszaru w warunkach mokrych i suchych, a następnie obliczane są funkcje gęstości prawdopodobieństwa (PDF). Przykład ten pokazuje, że parametry opisujące PDF wilgotności gleby nie są statyczne, ale zmieniają się w czasie w zależności od warunków wilgotności gleby.
W drugim przykładzie zawartość wody w glebie jest symulowana dla pojedynczego punktu w czasie, gdy warunki nie były ani mokre, ani suche. Wynikowy PDF wskazuje, że istnieje więcej niż jedna "populacja" wilgotności gleby w badanym miejscu (Rysunek 11). Może to być spowodowane kilkoma czynnikami. Możliwe, że istnieją obszary o różnych teksturach gleby (np. bardziej suche obszary piaszczyste i bardziej wilgotne obszary gliniasto-piaszczyste), że badany obszar obejmuje nisko położoną topografię i sąsiednie zbocza wzgórz lub że badany obszar ma różne rodzaje pokrywy roślinnej.
Powyższe dwa proste przykłady pokazują złożony charakter wilgotności gleby w czasie i przestrzeni. Oba przykłady sugerują, że założenie normalności może nie zawsze być ważne podczas pracy z zawartością wody w glebie w warunkach polowych (Brocca i in., 2007; Vereecken i in., 2014).
Jeśli celem jest określenie "prawdziwej" średniej zawartości wody w glebie dla badanego obszaru, wówczas schemat pobierania próbek musi uwzględniać źródła zmienności opisane powyżej. Jeśli badany obszar ma wzgórza i doliny, różne rodzaje pokrycia koron drzew i sezonowe zmiany opadów, wówczas czujniki powinny być zlokalizowane w obszarach, które reprezentują główne źródła niejednorodności. Jeśli zamiast tego badany obszar jest dość jednorodny lub badacz jest zainteresowany tylko czasowym wzorcem zawartości wody w glebie (np. do planowania nawadniania), wówczas może być wymagana mniejsza liczba czujników wilgotności gleby ze względu na czasową autokorelację w danych (Brocca et al. 2010; Loescher et al., 2014).
Zawartość wody w glebie jest bardzo dynamiczna w czasie i przestrzeni. Uchwycenie całej tej dynamiki za pomocą próbkowania punktowego jest pracochłonne i trudne, chociaż niektórzy badacze decydują się na tę drogę. Podobnie jak w wielu innych dziedzinach nauki o środowisku, niektóre z najgłębszych spostrzeżeń na temat zachowania wilgotności gleby pojawiają się w badaniach wykorzystujących sieci czujników in-situ (Bogena i in., 2010; Brocca i in., 2010). W przypadku większości zastosowań ciągłe pomiary in-situ zapewniają lepsze zrozumienie zawartości wody w glebie.
Aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na ten temat, przeczytaj artykuły wymienione poniżej.
Baroni, G., B. Ortuani, A. Facchi i C. Gandolfi. "Rola roślinności i właściwości gleby w przestrzenno-czasowej zmienności wilgotności powierzchniowej gleby na polu kukurydzy". Journal of Hydrology 489 (2013): 148-159. Link do artykułu.
Brocca, L., F. Melone, T. Moramarco i R. Morbidelli. "Przestrzenno-czasowa zmienność wilgotności gleby i jej szacowanie w różnych skalach". Water Resources Research 46, nr 2 (2010). Link do artykułu.
Brocca, L., R. Morbidelli, F. Melone i T. Moramarco. "Zmienność przestrzenna wilgotności gleby na obszarach eksperymentalnych w środkowych Włoszech". Journal of Hydrology 333, nr 2 (2007): 356-373. Link do artykułu.
Bogena, H. R., M. Herbst, J. A. Huisman, U. Rosenbaum, A. Weuthen i H. Vereecken. "Potencjał bezprzewodowych sieci czujników do pomiaru zmienności zawartości wody w glebie". Vadose Zone Journal 9, no. 4 (2010): 1002-1013. Link do artykułu (otwarty dostęp).
Famiglietti, James S., Dongryeol Ryu, Aaron A. Berg, Matthew Rodell i Thomas J. Jackson. "Obserwacje terenowe zmienności wilgotności gleby w różnych skalach". Water Resources Research 44, nr 1 (2008). Link do artykułu (otwarty dostęp).
García, Gonzalo Martínez, Yakov A. Pachepsky i Harry Vereecken. "Wpływ właściwości hydraulicznych gleby na związek między średnią przestrzenną a zmiennością wilgotności gleby". Journal of hydrology 516 (2014): 154-160. Link do artykułu.
Korres, W., T. G. Reichenau, P. Fiener, C. N. Koyama, H. R. Bogena, T. Cornelissen, R. Baatz et al. "Spatio-temporal soil moisture patterns-A meta-analysis using plot to catchment scale data." Journal of hydrology 520 (2015): 326-341. Link do artykułu (otwarty dostęp).
Loescher, Henry, Edward Ayres, Paul Duffy, Hongyan Luo i Max Brunke. "Przestrzenna zmienność właściwości gleby w ekosystemach Ameryki Północnej i wytyczne dotyczące projektów pobierania próbek". PLOS ONE 9, nr 1 (2014): e83216. Link do artykułu (otwarty dostęp).
Teuling, Adriaan J., i Peter A. Troch. "Lepsze zrozumienie dynamiki zmienności wilgotności gleby". Geophysical Research Letters 32, no. 5 (2005). Link do artykułu (otwarty dostęp).
Vereecken, Harry, J. A. Huisman, Yakov Pachepsky, Carsten Montzka, J. Van Der Kruk, Heye Bogena, L. Weihermüller, Michael Herbst, Gonzalo Martinez i Jan Vanderborght. "O przestrzenno-czasowej dynamice wilgotności gleby w skali terenowej". Journal of Hydrology 516 (2014): 76-96. Link do artykułu.
Wilson, David J., Andrew W. Western i Rodger B. Grayson. "Identyfikacja i kwantyfikacja źródeł zmienności w czasowych i przestrzennych obserwacjach wilgotności gleby". Water Resources Research 40, nr 2 (2004). Link do artykułu (otwarty dostęp).
Wzorce uzupełniania i wykorzystania wody powodują duże przestrzenne wahania wilgotności gleby na głębokości profilu glebowego. Dokładne pomiary zawartości wody w profilu są zatem podstawą każdego badania budżetu wodnego. Przy dokładnym monitorowaniu, pomiary profilowe pokazują wskaźniki zużycia wody, ilości głębokiej perkolacji i ilości wody zmagazynowanej do wykorzystania przez rośliny.
Istnieją trzy typowe wyzwania związane z wykonywaniem wysokiej jakości pomiarów objętościowej zawartości wody:
Wszystkie sondy dielektryczne są najbardziej czułe na powierzchni sondy. Jakakolwiek utrata kontaktu między sondą a glebą lub zagęszczenie gleby na powierzchni sondy może skutkować dużymi błędami pomiaru. Woda gromadząca się na powierzchni i spływająca preferencyjnymi ścieżkami w dół otworów montażowych sondy może również powodować duże błędy pomiarowe.
Instalacja czujników wilgotności gleby zawsze wiąże się z koniecznością kopania. Jak dokładnie pobrać próbki z profilu, jednocześnie jak najmniej naruszając glebę? Rozważ zalety i wady pięciu różnych strategii pobierania próbek z profilu.
Sondy profilowe to kompleksowe rozwiązanie do profilowych pomiarów zawartości wody. Jedna sonda zainstalowana w jednym otworze może zapewnić odczyty na wielu głębokościach. Sondy profilowe mogą działać dobrze, ale prawidłowa instalacja może być trudna, a tolerancje są wąskie. Trudno jest wywiercić pojedynczy, głęboki otwór na tyle precyzyjnie, aby zapewnić kontakt na całej powierzchni sondy. Zasypywanie otworów w celu poprawienia kontaktu skutkuje przepakowywaniem i błędami pomiarowymi. Sonda profilowa jest również szczególnie podatna na problemy związane z preferencyjnym przepływem wzdłuż długiej powierzchni rurki dostępowej. (UWAGA: Nowe rozwiązanie TEROS Borehole Installation Tool eliminuje preferencyjny przepływ i zmniejsza zakłócenia na miejscu, umożliwiając jednocześnie instalację czujników na wybranej głębokości).
Instalowanie czujników na różnych głębokościach przez boczną ścianę wykopu jest łatwą i precyzyjną metodą, ale faktyczne wykopanie wykopu wymaga dużo pracy. Metoda ta umieszcza sondy w nienaruszonej glebie bez problemów związanych z upakowaniem lub preferencyjnym przepływem wody. Ponieważ jednak wymaga ona wykopów, jest ona zazwyczaj stosowana tylko wtedy, gdy wykop jest wykonywany z innych powodów lub gdy gleba jest tak kamienista lub pełna żwiru, że żadna inna metoda nie zadziała. Wykopany obszar powinien zostać wypełniony i ponownie zagęszczony do mniej więcej takiej samej gęstości jak pierwotna gleba, aby uniknąć niepożądanych efektów krawędziowych.
Instalowanie sond przez boczną ścianę pojedynczego otworu ślimakowego ma wiele zalet metody wykopowej bez ciężkiego sprzętu. Metoda ta została zastosowana przez Bogena et al. z sondami EC-5 sondami. Stworzyli oni urządzenie do jednoczesnej instalacji sond na kilku głębokościach. Podobnie jak w przypadku instalacji w wykopie, otwór powinien być wypełniony i przepakowany do gęstości zbliżonej do gęstości przed pobraniem próbek, aby uniknąć efektów krawędziowych.
Odwiert świdrowy narusza warstwy gleby, ale względna wielkość wpływu na miejsce jest ułamkiem tego, co byłoby w przypadku instalacji w wykopie. Wykop może mieć około 60-90 cm długości i 40 cm szerokości. Instalacja odwiertu wykonywana przy użyciu małego ręcznego świdra i wiertła TEROS Borehole Installation Tool tworzy otwór o średnicy zaledwie 10 cm - zaledwie 2-3% powierzchni wykopu. Ponieważ skala naruszenia terenu jest zminimalizowana, mniej makroporów, korzeni i roślin zostaje naruszonych, a teren może powrócić do swojego naturalnego stanu znacznie szybciej. Ponadto, gdy narzędzie instalacyjne jest używane wewnątrz małego otworu, zapewniony jest dobry kontakt gleby z czujnikiem, a oddzielenie warstw horyzontu i ponowne upakowanie do prawidłowej gęstości gleby jest znacznie łatwiejsze, ponieważ jest mniej gleby do oddzielenia.
Wykopanie oddzielnego otworu dostępowego dla każdej głębokości zapewnia, że każda sonda jest zainstalowana w nienaruszonej glebie na dnie własnego otworu. Podobnie jak w przypadku wszystkich metod, należy upewnić się, że nie ma preferencyjnego przepływu wody do ponownie wypełnionych otworów ślimakowych, ale awaria w jednym otworze nie zagraża wszystkim danym, tak jak w przypadku wykonania wszystkich pomiarów w jednym otworze.
Główną wadą tej metody jest konieczność wykopania otworu dla każdej głębokości w profilu. Otwory są jednak małe, więc zazwyczaj łatwo je wykopać.
Możliwe jest zmierzenie wilgotności profilu poprzez wywiercenie pojedynczego otworu, zainstalowanie jednego czujnika na dnie, a następnie przepakowanie otworu, instalując jednocześnie czujniki w przepakowanej glebie na żądanej głębokości. Ponieważ jednak przepakowana gleba może mieć inną gęstość nasypową niż w stanie nienaruszonym, a profil został całkowicie zmieniony podczas wydobywania, mieszania i przepakowywania gleby, jest to najmniej pożądana z omawianych metod. Mimo to instalacja z jednym otworem może być całkowicie satysfakcjonująca dla niektórych celów. Jeśli instalacja zostanie wyrównana z otaczającą glebą, a korzenie będą mogły wrastać w glebę, względne zmiany w zakłóconej glebie powinny odzwierciedlać zmiany w otoczeniu.
Bogena, H. R., A. Weuthen, U. Rosenbaum, J. A. Huisman i H. Vereecken. "SoilNet - sieć czujników wilgotności gleby oparta na Zigbee". In AGU Fall Meeting Abstracts. 2007. Link do artykułu.
W poniższym filmie ekspert ds. instalacji czujników, Chris Chambers, wyjaśnia, dlaczego potrzebna jest inteligentniejsza instalacja czujnika wilgotności gle by i jak to osiągnąć. Dowiedz się:
Jeśli chodzi o pomiary wilgotności gleby, zakłócenia na miejscu są nieuniknione. Możemy uspokajać się myślą, że czujniki gleby powiedzą nam coś o wodzie w glebie, nawet jeśli duża ilość gleby w danym miejscu została naruszona. Możemy też myśleć, że nie ma znaczenia, czy właściwości gleby zmieniają się wokół czujnika, ponieważ igły są wprowadzane do nienaruszonej gleby. Faktem jest, że naruszenie terenu ma znaczenie i istnieją sposoby na zmniejszenie jego wpływu na dane dotyczące wilgotności gleby. Poniżej znajduje się analiza zakłóceń w terenie i sposobów, w jakie badacze mogą dostosować swoje techniki instalacji, aby zwalczyć niepewność danych.
Podczas instalacji czujnika wilgotności gleby ważne jest, aby w jak najmniejszym stopniu naruszyć glebę w celu uzyskania reprezentatywnego pomiaru. Istnieją metody bez zakłóceń, takie jak satelita, radar penetrujący grunt i COSMOS. Metody te stoją jednak przed wyzwaniami, które czynią je niepraktycznymi jako pojedyncze podejście do zawartości wody. Satelita ma duży zasięg, ale zazwyczaj mierzy górne 5 do 10 cm gleby, a rozdzielczość i częstotliwość pomiaru są niskie. Radar penetrujący grunt ma dużą rozdzielczość, ale jest drogi, a interpretacja danych jest trudna, gdy nieznana jest dolna głębokość graniczna. COSMOS to naziemna, nieinwazyjna metoda neutronowa, która mierzy w sposób ciągły i sięga głębiej niż satelita na obszarze o średnicy do 800 metrów. Jest ona jednak kosztowna w wielu zastosowaniach i wrażliwa zarówno na roślinność, jak i glebę, więc badacze muszą oddzielić oba sygnały. Metody te nie są jeszcze gotowe do zastąpienia czujników wilgotności gleby, ale działają dobrze, gdy są używane w połączeniu z danymi dotyczącymi wilgotności gruntu, które mogą dostarczyć czujniki wilgotności gleby.
Po naruszeniu terenu badań powrót gleby do jej naturalnego stanu może zająć do sześciu miesięcy lub nawet dłużej. Czynniki wpływające obejmują opady (wilgotny klimat powraca do "normalności" szybciej niż klimat suchy), rodzaj gleby i gęstość gleby. Badacze często ignorują pierwsze dwa lub trzy miesiące danych, czekając na powrót równowagi. Kiedy badacze kopią, dojrzała trawa lub rośliny są usuwane, a następnie zastępowane. Często rośliny te są trudne do przywrócenia, a przy zakłóceniach na dużą skalę znaczna liczba tych roślin albo nie radzi sobie dobrze, albo umiera. Ponieważ rośliny te nie transpirują już wody, bilans wodny ulega zmianie, co może mieć krytyczny wpływ na dane dotyczące wilgotności gleby. Każda możliwość naruszenia mniejszej powierzchni może zmniejszyć śmiertelność roślin i poprawić wyniki.
Kiedy gleba jest przemieszczana lub zagęszczana, ma to nieproporcjonalny wpływ na mikro- i makropory, maleńkie rurki kapilarne o szerokim zakresie rozmiarów porów, które nadają glebie jej strukturę i umożliwiają ruch wody. Naruszenie terenu i przepakowanie gleby niszczy makropory gleby, powodując, że woda porusza się wolniej i innymi ścieżkami. To z kolei wpływa na doładowanie poniżej zmienionej strefy. Każda opcja instalacji, która usuwa mniej gleby, zminimalizuje ten problem.
Przeciwieństwem zagęszczania jest zbyt luźne upakowanie gleby. Powoduje to preferencyjny przepływ wzdłuż boków odwiertu lub ściany wykopu, umożliwiając przepływ większej ilości wody do strefy niż normalnie. Ten nadmiar wody jest często wchłaniany przez nienaruszoną glebę, do której wprowadzane są igły czujników, wypaczając dane dotyczące wilgotności gleby. Aby zwalczyć ten problem, badacze powinni zaplanować czas na staranne ponowne zagęszczenie otworu. Odbywa się to poprzez dodanie gleby i upakowanie jej warstwami, aż do uzyskania lekkiego kopca na powierzchni, aby zapobiec gromadzeniu się wody. Jeśli powierzchnia jest płaska, gleba może z czasem osiąść w zagłębieniu. Duże doły mogą prowadzić do znacznych zagłębień, które będą preferencyjnie gromadzić wodę i zmieniać sposób, w jaki woda infiltruje do gleby wokół czujników.
Mieszanie warstw horyzontu glebowego podczas przepakowywania wykopu instalacyjnego może drastycznie zmienić właściwości hydrauliczne gleby. Na przykład: jeśli gleba ma piaszczysty horyzont A i gliniasty horyzont B, odwrócenie lub wymieszanie warstw miałoby oczywiste konsekwencje. Niektóre warstwy gleby są łatwe do rozróżnienia, podczas gdy inne typy gleby mają horyzonty, które są trudne do odróżnienia. Z tego powodu gleba powinna być ostrożnie usuwana i przywracana warstwami, aby zapobiec zmianom w hydrologii gleby. Naukowcy mogą to osiągnąć, układając plandeki wokół dołu instalacyjnego i ostrożnie usuwając glebę, warstwa po warstwie, umieszczając ją na plandekach w odpowiedniej kolejności. Łatwo jest pomylić te warstwy, więc pomocne jest przygotowanie metody zapamiętywania warstw przed rozpoczęciem. Po instalacji czujnika badacze powinni umieścić warstwy gleby z powrotem w dołku w odwrotnej kolejności, ponownie układając je tak, aby uzyskać prawidłową gęstość pomiędzy każdą warstwą.
Kopanie rowu w celu zainstalowania czujników wilgotności gleby może potencjalnie zniszczyć duże systemy korzeniowe, zwłaszcza jeśli badacze kopią na obszarze z dojrzałymi krzewami i drzewami. Ponieważ korzenie są głównym mechanizmem wyczerpywania wody w glebie, ich obumarcie zmieni reprezentatywność pomiarów wilgotności gleby dla całego obszaru badawczego. Jeśli wszystkie korzenie w pobliżu czujników zostaną zabite, pomiary mogą sugerować, że wody jest więcej niż w rzeczywistości. Badacze mogą ograniczyć ten problem, stosując strategicznie rozmieszczone odwierty, które naruszają mniejszą liczbę systemów korzeniowych.
Jedną z zalet instalacji w wykopie jest to, że badacze mogą zobaczyć cały profil glebowy, co pozwala im łatwiej zidentyfikować twarde warstwy, określić horyzonty i typy gleby oraz zidentyfikować strukturę i formację gleby. Jednak kopanie dużego rowu usuwa ogromną ilość gleby. A gdy cała ta gleba zostanie przepakowana, wiele makroporów zostanie prawdopodobnie zmiażdżonych, a w glebie pojawi się nieciągłość hydrauliczna, zwiększając możliwość sztucznego przekierowania wody z czujników lub skierowania jej w ich stronę. Sytuacja pogarsza się, jeśli badacz używa koparki, aby zaoszczędzić czas. Gąsienice i podkładki koparki zagęszczają glebę, zwłaszcza jeśli jest mokra, a duża łyżka rozrywa rośliny i systemy korzeniowe.
Sondy profilowe są atrakcyjne, ponieważ wykorzystują małe otwory, które powodują mniejsze naruszenie gleby. Jednak sztywno prosty kształt sondy profilowej wymaga idealnie prostopadłej ściany dla dobrego kontaktu gleby z czujnikiem. Niestety, boki otworu rzadko są idealnie prostopadłe. Wzdłuż ściany gleby występują krzywizny i wgłębienia. Prostoliniowa sonda profilowa rzadko uzyskuje dobrą łączność, a instalacja jest często nękana szczelinami powietrznymi i preferencyjnym przepływem. Użytkownicy sond profilowych często próbują to zrekompensować poprzez zasypywanie gęstą zawiesiną błota, ale z tą metodą również wiążą się wyzwania, w tym wprowadzenie nierodzimej gleby i niedokładności spowodowane pęknięciami, które pojawiają się, gdy gleba wysycha.
Odwiert narusza warstwy gleby, ale względna wielkość wpływu na miejsce jest ułamkiem tego, co byłoby w przypadku instalacji w wykopie. Wykop może mieć około 60-90 cm długości i 40 cm szerokości. Instalacja odwiertu wykonana przy użyciu małego ręcznego świdra i wiertła TEROS Borehole Installation Tool tworzy otwór o średnicy zaledwie 10 cm - zaledwie 2-3% powierzchni wykopu. Ponieważ skala naruszenia terenu jest zminimalizowana, mniej makroporów, korzeni i roślin zostaje naruszonych, a teren może powrócić do swojego naturalnego stanu znacznie szybciej. Ponadto, gdy narzędzie instalacyjne jest używane wewnątrz małego otworu, zapewniony jest dobry kontakt gleby z czujnikiem, a oddzielenie warstw horyzontu i ponowne upakowanie do prawidłowej gęstości gleby jest znacznie łatwiejsze, ponieważ jest mniej gleby do oddzielenia.
Kluczem do zmniejszenia wpływu zakłóceń na dane dotyczące wilgotności gleby jest kontrolowanie skali zakłóceń. Wykopy na dużą skalę wpływają na większe obszary, podczas gdy świdrowanie małego odwiertu będzie miało znacznie mniejszy wpływ na otaczające rośliny i właściwości hydrauliczne gleby, umożliwiając szybszy powrót terenu badań do stanu naturalnego.
Krzywe uwalniania wilgoci z gleby (zwane również krzywymi charakterystycznymi dla wody glebowej lub krzywymi retencji wody w glebie) są jak fizyczne odciski palców, unikalne dla każdego rodzaju gleby. Naukowcy wykorzystują je do zrozumienia i przewidywania losu wody w konkretnej glebie przy określonej wilgotności. Krzywe uwalniania wilgoci odpowiadają na kluczowe pytania, takie jak: przy jakiej wilgotności gleba będzie trwale więdnąć? Jak długo należy nawadniać? Czy woda będzie szybko przesączać się przez glebę, czy też zostanie zatrzymana w strefie korzeniowej? Są to potężne narzędzia wykorzystywane do przewidywania poboru wody przez rośliny, głębokiego drenażu, odpływu i nie tylko.
Istnieje zależność między potencjałem wodnym a objętościową zawartością wody, którą można zilustrować za pomocą wykresu. Razem dane te tworzą kształt krzywej zwanej krzywą uwalniania wilgoci z gleby. Kształt krzywej uwalniania wilgoci z gleby jest unikalny dla każdej gleby. Wpływa na nią wiele zmiennych, takich jak tekstura gleby, gęstość nasypowa, ilość materii organicznej i rzeczywisty skład struktury porów, oraz
Rysunek 13 przedstawia przykładowe krzywe dla trzech różnych gleb. Na osi X znajduje się potencjał wody w skali logarytmicznej, a na osi Y objętościowa zawartość wody. Ta zależność między zawartością wody w glebie a potencjałem wody (lub ssaniem gleby) umożliwia badaczom zrozumienie i przewidywanie dostępności wody i jej ruchu w określonym typie gleby. Na przykład na rysunku 13 widać, że punkt trwałego więdnięcia (prawa pionowa linia) będzie występował przy różnych zawartościach wody dla każdego rodzaju gleby. Drobna glina piaszczysta ulegnie trwałemu więdnięciu przy 5% VWC, podczas gdy glina pylasta ulegnie trwałemu więdnięciu przy prawie 15% VWC.
Aby zrozumieć krzywe uwalniania wilgoci z gleby, konieczne jest wyjaśnienie właściwości ekstensywnych i intensywnych. Większość ludzi patrzy na wilgotność gleby tylko w kategoriach jednej zmiennej: zawartości wody w glebie. Jednak do opisania stanu materii lub energii w środowisku niezbędne są dwa rodzaje zmiennych. Zmienna ekstensywna opisuje zakres (lub ilość) materii lub energii. Zmienna intensywna opisuje intensywność (lub jakość) materii lub energii.
| Duża zmienność | Zmienna intensywna |
|---|---|
| Objętość | Gęstość |
| Zawartość wody | Potencjał wody |
| Zawartość ciepła | Temperatura |
Tabela 1. Przykłady zmiennych ekstensywnych i intensywnych
Zawartość wody w glebie jest zmienną o szerokim zakresie. Opisuje ona ilość wody w środowisku. Potencjał wody w glebie jest zmienną intensywną. Opisuje intensywność lub jakość (a w większości przypadków dostępność) wody w środowisku. Aby zrozumieć, jak to działa, pomyśl o zmiennych ekstensywnych i intensywnych w kategoriach ciepła. Zawartość ciepła (zmienna ekstensywna) opisuje ilość ciepła przechowywanego w pomieszczeniu. Temperatura (zmienna intensywna) opisuje jakość (poziom komfortu) lub sposób, w jaki organizm odbiera ciepło w danym pomieszczeniu.
Rysunek 14 przedstawia duży statek na Arktyce w porównaniu z gorącym prętem, który właśnie został podgrzany w ogniu. Który z tych dwóch przedmiotów ma wyższą zawartość ciepła? Co ciekawe, statek na Arktyce ma wyższą zawartość ciepła niż gorący pręt, ale to pręt ma wyższą temperaturę.
Jeśli umieścimy gorący pręt w kontakcie ze statkiem, która zmienna reguluje przepływ energii? Zmienna intensywna, temperatura, określa sposób przepływu energii. Ciepło zawsze przemieszcza się z wysokiej temperatury do niskiej.
Podobnie jak w przypadku ciepła, zawartość wody w glebie to tylko ilość. Nie powie nam, jak woda będzie się przemieszczać ani jaki będzie poziom komfortu rośliny (woda dostępna dla roślin). Potencjał wodny gleby, intensywna zmienna, przewiduje dostępność i ruch wody.
Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po potencjale wody"
Krzywe uwalniania wilgoci z gleby mogą być wykonywane in situ lub w laboratorium. W terenie zawartość wody w glebie i potencjał wodny gleby są monitorowane za pomocą czujników glebowych.
Łatwe w obsłudze, niezawodne czujniki dielektryczne METER przesyłają dane o wilgotności gleby w czasie zbliżonym do rzeczywistego bezpośrednio przez rejestrator danychZL6 na stronę cloud (ZENTRA Cloud). Pozwala to zaoszczędzić ogromną ilość pracy i kosztów. Czujnik TEROS 12 mierzy zawartość wody i jest łatwy do zainstalowania za pomocą narzędzia do montażu w otworzeTEROS . Czujnik TEROS 21 jest łatwym w instalacji czujnikiem potencjału wody w terenie.
W laboratorium można łączyć funkcje METER HYPROP i WP4C aby automatycznie wygenerować pełne krzywe uwalniania wilgoci z gleby w całym zakresie wilgotności gleby.
Zobacz porównanie krzywych uwalniania wilgoci w warunkach laboratoryjnych i in situ
Krzywa uwalniania wilgoci z gleby łączy zmienną ekstensywną objętościowej zawartości wody ze zmienną intensywną potencjału wodnego. Wykresy zmiennych ekstensywnych i intensywnych pozwalają badaczom i irygatorom odpowiedzieć na kluczowe pytania, takie jak to, gdzie będzie przemieszczać się woda glebowa. Na przykład na rysunku 15 poniżej, jeśli trzy poniższe gleby byłyby różnymi warstwami horyzontu glebowego przy 15% zawartości wody, woda w gliniastym drobnym piasku zaczęłaby przemieszczać się w kierunku drobnej piaszczysto-gliniastej warstwy, ponieważ ma ona bardziej ujemny potencjał wody.
Krzywa uwalniania wilgoci z gleby może być również wykorzystywana do podejmowania decyzji dotyczących nawadniania, takich jak kiedy włączyć wodę, a kiedy ją wyłączyć. Aby to zrobić, badacze lub irygatorzy muszą zrozumieć zarówno objętościową zawartość wody (VWC), jak i potencjał wody. VWC mówi hodowcy, ile nawadniania należy zastosować. Potencjał wodny pokazuje, jak dostępna jest woda dla upraw i kiedy należy zaprzestać nawadniania. Oto jak to działa.
Rysunek 16. Typowe krzywe uwalniania wilgoci z gleby dla trzech różnych glebRysunek 16 przedstawia typowe krzywe uwalniania wilgoci dla piasku gliniastego, gliny pylastej i gleby gliniastej. Przy -100 kPa zawartość wody w glebie piaszczystej wynosi poniżej 10%. Natomiast w glebie ilastej wynosi około 25%, a w glebie gliniastej blisko 40%. Pojemność polowa wynosi zazwyczaj od -10 do -30 kPa. Stały punkt więdnięcia wynosi około -1500 kPa. Gleba, która jest suchsza niż ten stały punkt więdnięcia, nie dostarczy wody roślinie. Woda w glebie bardziej wilgotnej niż pojemność pola odpłynęłaby z gleby. Badacz/nawadniacz może spojrzeć na te krzywe i zobaczyć, gdzie byłby optymalny poziom zawartości wody dla każdego rodzaju gleby.
Rysunek 17 przedstawia tę samą krzywą uwalniania wilgoci pokazującą zakres pojemności polowej (zielone pionowe linie), dolną granicę zwykle ustawianą dla nawadnianych upraw (żółta) i punkt trwałego więdnięcia (czerwona). Korzystając z tych krzywych, badacz / irygator może zobaczyć, że potencjał wodny gliny mułowej powinien być utrzymywany w zakresie od -10 do -50 kPa. Zawartość wody, która odpowiada tym potencjałom wodnym, mówi irygatorowi, że poziomy zawartości wody w glinie pylastej muszą być utrzymywane na poziomie około 32% (0,32 m3/m3). Czujniki wilgotności gleby mogą ostrzegać o przekroczeniu lub przekroczeniu tego optymalnego limitu.
Po uzyskaniu informacji z krzywej uwalniania, rejestrator danych METER ZL6 rejestrator danych i ZENTRA Cloud upraszczają proces utrzymywania optymalnego poziomu wilgotności. Górne i dolne limity można ustawić na stronie ZENTRA cloud i są one wyświetlane jako zacienione pasmo nałożone na dane o wilgotności gleby w czasie zbliżonym do rzeczywistego (niebieskie cieniowanie), dzięki czemu łatwo jest wiedzieć, kiedy włączyć i wyłączyć wodę. Ostrzeżenia są nawet wysyłane automatycznie, gdy limity te zbliżą się lub zostaną przekroczone.
Dowiedz się więcej o poprawie nawadniania z uwzględnieniem wilgotności gleby
Kolokacja czujników potencjału wodnego i czujników wilgotności gleby in situ dodaje o wiele więcej krzywych uwalniania wilgoci do bazy wiedzy badaczy. A ponieważ dla inżynierów geotechników i naukowców zajmujących się nawadnianiem najważniejsza jest przede wszystkim wydajność nienasyconych gleb na miejscu, dodanie pomiarów in situ do krzywych wytworzonych w laboratorium byłoby idealnym rozwiązaniem.
W poniższym webinarium dr Colin Campbell, pracownik naukowy METER, podsumowuje niedawny artykuł wygłoszony na Panamerykańskiej Konferencji Gleb Nienasyconych. Artykuł "Porównanie krzywych charakterystyki wodnej gleby in situ z krzywymi wygenerowanymi w laboratorium" autorstwa Campbell et al. (2018) ilustruje, jak dobrze SWCC wygenerowane in situ przy użyciu skalibrowanego czujnika potencjału matrycowego TEROS 21 i czujników zawartości wody METER porównują się z tymi utworzonymi w laboratorium.
Krzywe uwalniania wilgoci z gleby mogą zapewnić jeszcze więcej wglądu i informacji wykraczających poza zakres tego artykułu. Naukowcy wykorzystują je do zrozumienia wielu kwestii, takich jak zdolność gleby do kurczenia się, zdolność wymiany kationów lub powierzchnia specyficzna dla gleby. W poniższym filmie Leo Rivera, ekspert w dziedzinie wilgotności gleby, przedstawia bardziej szczegółowe informacje na temat tego, jak wykorzystać krzywą uwalniania wilgoci do analizy indywidualnych zachowań gleby w odniesieniu do wody.
W tej sekcji przeczytaj o:
Zastanawiając się, który czujnik zawartości wody w glebie będzie najlepszy dla danego zastosowania, łatwo przeoczyć oczywiste pytanie: co jest mierzone? Reflektometria w dziedzinie czasu (TDR) vs. pojemność to właściwe pytanie dla badacza, który analizuje przenikalność dielektryczną w szerokim spektrum częstotliwości pomiarowych (zwanym spektroskopią dielektryczną). Dane te zawierają ważne informacje, takie jak możliwość pomiaru gęstości nasypowej wraz z zawartością wody i przewodnością elektryczną. Jeśli jest to pożądany pomiar, obecnie wystarczy tylko jedna technologia: TDR. Odbicie impulsu elektrycznego, który przemieszcza się w dół prętów przewodzących, zawiera szeroki zakres częstotliwości. Po zdigitalizowaniu, częstotliwości te mogą być rozdzielone za pomocą szybkiej transformaty Fouriera i analizowane w celu uzyskania dodatkowych informacji.
Celem większości naukowców jest jednak po prostu monitorowanie zawartości wody w glebie natychmiast lub w czasie, z dobrą dokładnością, co oznacza, że złożony i kosztowny system TDR może nie być konieczny.
Techniki pomiaru wilgotności gle by wykorzystujące pojemność i TDR są często grupowane razem, ponieważ obie mierzą przenikalność dielektryczną otaczającego ośrodka. W rzeczywistości nierzadko zdarza się, że osoby mylą te dwie techniki, sugerując, że dana sonda mierzy zawartość wody w oparciu o TDR, podczas gdy w rzeczywistości wykorzystuje ona pojemność. Poniżej znajduje się wyjaśnienie różnicy między tymi dwiema technikami.
Technika pojemnościowa określa przenikalność dielektryczną ośrodka poprzez pomiar czasu ładowania kondensatora, który wykorzystuje ten ośrodek jako dielektryk. Najpierw definiujemy związek między czasem, t, potrzebnym do naładowania kondensatora od napięcia początkowego, Vi do napięcia Vf przy przyłożonym napięciu Vf.
gdzie R to rezystancja szeregowa, a C to pojemność. Ładowanie kondensatora zostało zilustrowane na rysunku 1:
Jeśli rezystancja i stosunek napięcia są stałe, to czas ładowania kondensatora, t, jest związany z pojemnością zgodnie z wzorem
W przypadku kondensatora z płytami równoległymi pojemność jest funkcją przenikalności dielektrycznej(k) ośrodka między płytami kondensatora i można ją obliczyć za pomocą wzoru
gdzie A to powierzchnia płytek, a S to odległość między płytkami. Ponieważ A i S są również stałymi wartościami, czas ładowania kondensatora jest prostą liniową funkcją (idealnie) przenikalności dielektrycznej otaczającego ośrodka.
Sondy gruntowe nie są równoległymi kondensatorami płytkowymi, ale zależność pokazana w równaniu 7 jest ważna niezależnie od geometrii płyty. Reflektometria w dziedzinie czasu (TDR) określa przenikalność dielektryczną ośrodka poprzez pomiar czasu propagacji fali elektromagnetycznej wzdłuż linii transmisyjnej otoczonej ośrodkiem. Czas przejścia(t) impulsu elektromagnetycznego przez linię transmisyjną i jego powrót jest powiązany z przenikalnością dielektryczną ośrodka, k, za pomocą następującego równania
gdzie L to długość linii transmisyjnej, a c to prędkość światła (3 x 108 m/s w próżni). W ten sposób obliczana jest przenikalność dielektryczna
Dlatego też czas propagacji fali elektromagnetycznej wzdłuż sondy TDR jest jedynie funkcją kwadratu czasu przejścia i stałej wartości(c/2L). Ponieważ c i L są odpowiednio stałą i stałą długością, pomiary TDR są teoretycznie mniej podatne na warunki glebowe i środowiskowe w porównaniu z czujnikami pojemnościowymi. Jednak interpretacja danych wyjściowych TDR może być znaczącym źródłem błędów, gdy wysokie zasolenie zmniejsza kształt fali odbicia lub temperatura zmienia punkt końcowy.
An oscillating voltage must be applied to a TDR or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.
Czujniki pojemnościowe produkowane przez METER wykorzystują wysokie częstotliwości, aby zminimalizować wpływ zasolenia gleby na odczyty. Stosowane częstotliwości są jednak nieco niższe niż w przypadku TDR, zazwyczaj od 50 do 100 MHz. Wysoka częstotliwość sond pojemnościowych "widzi" całą wodę w glebie, a jednocześnie jest wystarczająco wysoka, aby uniknąć większości błędów związanych z zasoleniem gleby obecnych w starszych sondach pojemnościowych. Obwody w czujnikach pojemnościowych można zaprojektować tak, aby wykrywały bardzo małe zmiany objętościowej zawartości wody, do tego stopnia, że NASA wykorzystała technologię pojemnościową do pomiaru zawartości wody na Marsie. Czujniki pojemnościowe są tańsze, ponieważ nie wymagają dużej ilości obwodów, co pozwala na większą liczbę pomiarów w przeliczeniu na dolara.
Podobnie jak TDR, czujniki pojemnościowe są dość łatwe w instalacji. Końcówki pomiarowe są zwykle krótsze niż w sondach TDR, więc mogą być mniej trudne do włożenia do otworu. Czujniki pojemnościowe mają zwykle niższe wymagania energetyczne i mogą działać przez lata w terenie, zasilane przez mały zestaw baterii w rejestratorze danych.
Podsumowując, chociaż teoria stojąca za pomiarami jest nieco inna, TDR i pojemność mierzą przenikalność dielektryczną w celu uzyskania objętościowej zawartości wody. Z historycznego punktu widzenia zarówno TDR, jak i pojemność zyskały powszechną akceptację, chociaż niektórzy mogą postrzegać większą wartość TDR w porównaniu z pojemnością ze względu na ekstremalną różnicę w cenie. Ogólnie rzecz biorąc, rozsądne pomiary objętościowej zawartości wody można uzyskać przy użyciu dowolnej techniki, a błędy w pomiarach są często spowodowane bardziej złymi metodami instalacji niż ograniczeniami w samych technikach. Nowy TEROS Borehole Installation Tool zmniejsza niepewność danych poprzez zabezpieczenie instalacji czujnika wilgotności gleby przed błędami. Ze względu na swoją przewagę mechaniczną, narzędzie zapewnia spójną, bezbłędną instalację w każdym rodzaju gleby (nawet twardej glinie), minimalizując przy tym zakłócenia na miejscu. Czujniki są instalowane prosto i prostopadle z równomiernym naciskiem, a następnie delikatnie zwalniane, aby zapobiec powstawaniu szczelin powietrznych i preferencyjnemu przepływowi. Oznacza to, że linia pojemnościowych czujników wilgotności gleby TEROS jest w stanie zapewnić większą dokładność przy mniejszej niepewności niż podobne czujniki dostępne na rynku.
Kiedy technologia pojemnościowa została po raz pierwszy wykorzystana do pomiaru wilgotności gleby w latach 70-tych, naukowcy szybko zdali sobie sprawę, że szybkość ładowania i rozładowywania pola elektromagnetycznego ma kluczowe znaczenie dla sukcesu. Niskie częstotliwości prowadziły do dużego wpływu zasolenia gleby na odczyty. Z biegiem czasu to nowe zrozumienie, w połączeniu z postępem w szybkości elektroniki, umożliwiło dostosowanie pierwotnego podejścia pojemnościowego do sukcesu. Nowoczesne czujniki pojemnościowe, takie jak czujniki METER, wykorzystują wysokie częstotliwości (70 MHz), aby zminimalizować wpływ zasolenia gleby na odczyty.
Obwody w czujnikach pojemnościowych można zaprojektować tak, aby rejestrowały bardzo małe zmiany objętościowej zawartości wody, do tego stopnia, że NASA wykorzystała technologię pojemnościową METER do pomiaru zawartości wody na Marsie. Pojemnościowe czujniki wilgotności gleby są łatwe w instalacji i mają niskie zapotrzebowanie na energię. Mogą działać przez lata w terenie, zasilane przez niewielki zestaw baterii w rejestratorze danych.
Zarówno czujniki wilgotności gleby TEROS , jak i ECH20wykorzystują tę samą sprawdzoną technologię pojemnościową o wysokiej częstotliwości (70 MHz), która została opublikowana w tysiącach recenzowanych artykułów. Rysunek 20 przedstawia dane kalibracyjne dla czujników ECH205TE i TEROS 12.
Nowa liniaTEROS wykorzystuje jednak postępy w technikach kalibracji, narzędziu instalacyjnym i lepszych surowcach do produkcji czujników, które są trwalsze, dokładniejsze, łatwiejsze i szybsze w instalacji, bardziej spójne i połączone z potężnym, intuicyjnym systemem rejestracji i wizualizacji danych w czasie zbliżonym do rzeczywistego (rysunek 21).
Oto kilka zmian, które można zauważyć w nowej linii czujników zawartości wody TEROS :
Minimalna zmienność między czujnikami: CzujnikiTEROS 11/12 wykorzystują całkowicie nową procedurę kalibracji, która maksymalizuje dokładność i minimalizuje zmienność między czujnikami, jednocześnie utrzymując rozsądny koszt czujnika. Dzięki temu można mieć pewność, że każdy zainstalowany czujnik będzie odczytywał dokładnie tak samo jak następny.
Duża objętość oddziaływania: Czujniki TEROS 11/12 zapewniają jednolitrową objętość oddziaływania (w porównaniu do 200 ml typowych dla większości czujników).
Niezawodna, długa żywotność czujnika: Ulepszone, naostrzone igły z wysokiej jakości stali nierdzewnej z łatwością wsuwają się nawet w stwardniałe gleby, a trwałe wypełnienie epoksydowe oznacza, że czujnik wytrzymuje do 10 lat w terenie. W czujniku TEROS 12 umieściliśmy czujnik temperatury idealnie wewnątrz środkowej igły, dzięki czemu igły są wytrzymałe, a jednocześnie niezwykle wrażliwe na zmiany temperatury gleby.
Zmniejszony błąd instalacji: Nowy system TEROS Borehole Installation Tool zabezpiecza przed błędami instalacji i zapewnia spójne, bezbłędne wprowadzenie do każdego rodzaju gleby (nawet twardej gliny) przy jednoczesnym zminimalizowaniu zakłóceń w miejscu instalacji. Czujniki są instalowane idealnie prostopadle do ściany bocznej z równomiernym naciskiem, a następnie delikatnie zwalniane, aby zapobiec powstawaniu szczelin powietrznych.
Standard weryfikacji: Powtarzalność czujnika TEROS można sprawdzić za pomocą standardu weryfikacji dokładności. Żaden inny czujnik wilgotności gleby nie ma takiej możliwości. Wystarczy nasunąć klips weryfikacyjny na czujnik i podłączyć go do rejestratora. Jeśli odczyt mieści się w odpowiednim zakresie, czujnik jest gotowy do pracy.
Bezproblemowe gromadzenie danych: W celu łatwego i niezawodnego gromadzenia danych, połącz czujniki TEROS z nową aplikacją ZL6gdzie wszystkie dane są dostarczane w czasie zbliżonym do rzeczywistego za pośrednictwem aplikacji cloud.
Stworzyliśmy nową linię czujników TEROS , aby wyeliminować bariery dla dobrej dokładności, takie jak niespójność instalacji, zmienność między czujnikami i weryfikacja czujników. Czujniki wilgotności glebyTEROS wykorzystują tę samą niezawodną technologię ECH20, ale wykraczają poza linię ECH20, aby zoptymalizować dokładność całego zestawu danych. Łączą w sobie spójną, bezbłędną instalację, wyjątkowo solidną konstrukcję, minimalną zmienność między czujnikami, duży wpływ i zaawansowane rejestrowanie danych, aby zapewnić najlepszą wydajność, dokładność, łatwość obsługi i niezawodność w przystępnej cenie.
Celem każdego badacza jest uzyskanie użytecznych danych terenowych przez cały czas trwania badania. Dobry zestaw danych to taki, który naukowiec może wykorzystać do wyciągnięcia wniosków lub dowiedzenia się czegoś o zachowaniu czynników środowiskowych w konkretnym zastosowaniu. Jednak, jak wielu badaczy boleśnie się przekonało, uzyskanie dobrych danych nie jest tak proste, jak zainstalowanie czujników, pozostawienie ich w terenie i powrót w celu znalezienia dokładnego zapisu. Ci, którzy nie planują z wyprzedzeniem, często sprawdzają dane i regularnie rozwiązują problemy, często wracają, aby znaleźć nieprzyjemne niespodzianki, takie jak odłączone kable rejestratora danych, kable czujników uszkodzone przez gryzonie lub, co gorsza, że nie mają wystarczającej ilości danych, aby zinterpretować swoje wyniki. Na szczęście większości wpadek związanych z gromadzeniem danych można uniknąć dzięki wysokiej jakości sprzętowi, starannemu przemyśleniu i niewielkiej ilości przygotowań.
Poniżej znajduje się kilka typowych błędów popełnianych podczas projektowania badania, które kosztują czas i pieniądze oraz mogą uniemożliwić wykorzystanie danych.
Projektując badanie, skorzystaj z poniższych najlepszych praktyk, aby uprościć gromadzenie danych i uniknąć niedopatrzeń, które sprawiają, że dane nie są użyteczne i ostatecznie możliwe do opublikowania.
Konfiguracja czujników w laboratorium przed udaniem się w teren pomaga badaczom zrozumieć, jak działają ich czujniki. Na przykład naukowcy mogą dokonywać odczytów czujników gleby w różnych typach gleby, co da im solidne zrozumienie, jakich wartości wilgotności gleby można się spodziewać w różnych scenariuszach. Opracowanie czujników przed udaniem się w teren pomaga badaczom zrozumieć prawidłową instalację, jak długo może ona potrwać i pozwala im zdiagnozować problemy, takie jak czujnik, który może odczytywać nieprawidłowo. W tym czasie mogą oni ustalić, jakie narzędzia i sprzęt mogą być potrzebne do instalacji. Posiadanie dedykowanego zestawu narzędzi instalacyjnych wypełnionego ważnymi narzędziami, takimi jak opaski zaciskowe, szczypce, markery, latarki i baterie, może zaoszczędzić wiele godzin podróży w tę i z powrotem na miejsce instalacji.
Jeśli badacz korzysta z rejestratora danych, który wymaga programowania, powinien nauczyć się języka programowania z dwutygodniowym wyprzedzeniem, aby upewnić się, że rozumie, jak pisać programy dla rejestratora. Nawet rejestrator danych typu plug-and-play, cloud , taki jak np. ZL6 będzie wymagał prac przygotowawczych przed instalacją, takich jak upewnienie się, że miejsce badań znajduje się w zasięgu wieży komórkowej.
Badacze powinni sporządzić plan terenu z mapą i pamiętać, że instalacja zajmuje zwykle dwa razy więcej czasu niż im się wydaje. Posiadanie planu terenu znacznie zmniejsza liczbę błędów ludzkich, zwłaszcza gdy zależy nam na czasie. Po przybyciu na miejsce badań naukowcy mogą instalować zgodnie z planem i zapisywać poprawki na mapie w trakcie pracy. Ten krok pozwala zaoszczędzić znaczną ilość czasu w przyszłości, jeśli oni lub inni współpracownicy będą musieli znaleźć i odkopać problematyczny czujnik. Posiadanie planu awaryjnego na wypadek sytuacji, które mogą pójść nie tak, jest również ważne. Na przykład, co jeśli gleba jest zbyt skalista na określonej głębokości? Albo co się stanie, jeśli stacja pogodowa lub czujnik wilgotności nie będą mogły zostać zainstalowane na głębokości dwóch metrów? Badacze muszą pomyśleć o tym, co zrobić, jeśli ich pierwotny plan nie zadziała, ponieważ często nie będą mogli wrócić na miejsce przez tygodnie lub miesiące.
Przed wyborem lokalizacji naukowcy powinni jasno określić swoje cele w zakresie gromadzenia danych. Muszą wiedzieć, co zamierzają zrobić z danymi, aby dane mogły odpowiedzieć na właściwe pytania. Gdy cele zostaną zrozumiane, badacz może zacząć rozumieć, gdzie umieścić swoje czujniki.
Najbardziej wpływową kwestią, z jaką będą musieli zmierzyć się badacze przy określaniu miejsca umieszczenia czujników, jest zmienność. Na przykład naukowcy badający glebę będą musieli zrozumieć czynniki zmienności, takie jak nachylenie, aspekt, typ roślinności, głębokość, typ gleby i gęstość gleby. Jeśli badają okap, będą musieli zrozumieć niejednorodność pokrywy roślinnej i odpowiednio ją rozmieścić. Jeśli badacz porównuje dane, musi być konsekwentny w rozmieszczaniu czujników. Oznacza to, że wysokość nad ziemią lub głębokość pod ziemią powinny być spójne w każdym miejscu. Nie ma sposobu na monitorowanie każdego źródła zmienności, więc badacze powinni monitorować źródła, które są najważniejsze. Aby uzyskać bardziej dogłębne spojrzenie na zmienność, przeczytaj "Czujniki wilgotności gleby: Ile ich potrzebujesz?".
Wybór lokalizacji powinien być również praktyczny. Badacze będą musieli przeglądać dane tak często, jak to możliwe (zalecamy co najmniej raz w miesiącu), aby upewnić się, że wszystko działa poprawnie, dlatego rejestrator danych musi być dostępny. Komórkowe rejestratory danych znacznie ułatwiają dostęp do danych, zwłaszcza w odległych lokalizacjach. Przesyłanie danych na stronę cloud oznacza, że naukowcy mogą uzyskać dostęp do danych, udostępniać je i rozwiązywać problemy każdego dnia w zaciszu swojego biura.
Ponadto, wybierając lokalizację rejestratora danych, staraj się unikać długich przewodów, które mogą powodować gradienty potencjału napięcia w przypadku uderzenia pioruna. Wybierz lokalizację, w której czujniki będą łatwe do podłączenia, i przymocuj dodatkowy kabel do słupka w celu odciążenia, aby kable nie zostały wyciągnięte z rejestratora. Odłączone czujniki lub zerwane połączenia mogą mieć katastrofalne skutki dla badania.
Im więcej metadanych badacze zarejestrują w miejscu badań, tym lepiej zrozumieją swoje dane i tym więcej czasu zaoszczędzą w dłuższej perspektywie. Niektóre rejestratory danych, takie jak ZL6 automatycznie rejestrują ważne metadane, takie jak lokalizacja GPS, ciśnienie barometryczne i numer seryjny czujnika. Ponadto pomiary pomocnicze, takie jak temperatura gleby lub monitorowanie mikroklimatu, mogą być kolejnym źródłem metadanych. Stacja pogodowa typu "wszystko w jednym", taka jak ATMOS 41, automatycznie rejestruje zdarzenia pogodowe i może być ważnym sposobem na porównanie lub sprawdzenie wilgotności gleby, potencjału wody lub innych danych.
Aby udokumentować informacje o terenie, które nie są automatycznie rejestrowane przez oprzyrządowanie terenowe, wielu naukowców uważa za praktyczne utworzenie wspólnego arkusza roboczego charakterystyki terenu, którego mogą używać do informowania innych współpracowników pracujących w danym miejscu. Metadane, które będą miały kluczowe znaczenie dla przyszłego wglądu w dane i ich publikacji, to: rodzaj gleby, gęstość gleby, rodzaje pokrywy, interwał pomiarowy, surowe dane i rodzaj zastosowanej kalibracji, uwagi na temat systemu nawadniania (jeśli jest obecny), które czujniki wilgotności gleby są zainstalowane na jakiej głębokości, uwagi na temat tego, dlaczego miejsce zostało wybrane, zdarzenia, które mogą mieć wpływ na gromadzenie danych, takie jak zbiory, lub wszelkie inne informacje, które mogą być trudne do przypomnienia podczas analizy danych. Informacje te będą ważne, gdy nadejdzie czas publikacji, a umieszczenie ich we wspólnej lokalizacji opartej na stronie cloud pozwoli uniknąć bólu głowy.
Jeśli naukowiec chce uzyskać dokładne dane, prawidłowa instalacja czujnika powinna być dla niego priorytetem numer jeden. Na przykład, podczas pomiaru w glebie, naturalne wahania gęstości mogą spowodować utratę dokładności od 2 do 3%, ale zła instalacja może potencjalnie spowodować utratę dokładności większą niż 10%. Prawidłowa instalacja czujników nie zajmuje dużo czasu, dlatego badacze powinni uważnie przeczytać instrukcje (więcej szczegółowych informacji można znaleźć w artykule "Czujniki wilgotności gleby: która metoda instalacji jest najlepsza?"). Po zainstalowaniu czujnika, ale przed zamknięciem otworu lub wykopu, należy sprawdzić czujniki za pomocą ZSCnaszego ręcznego urządzenia do natychmiastowego odczytu, aby upewnić się, że odczyt jest dokładny. Późniejsze wykopywanie czujnika po zebraniu złych danych przez cały sezon będzie bolesne.
Ponadto należy pamiętać o oznaczeniu każdego czujnika typem czujnika, głębokością instalacji i innymi informacjami, które mogą być ważne. Naukowcy, którzy instalują setki czujników, czasami kupują elektroniczne urządzenie do etykietowania w celu kodowania kreskowego czujników, ale taśma i trwały marker również działają. Etykiety należy umieścić wewnątrz rejestratora danych w celu ochrony przed warunkami atmosferycznymi.
Ochrona czujników za wszelką cenę ma kluczowe znaczenie dla badania. Ważne jest, aby badacze poprowadzili odsłonięte kable czujników wewnątrz rury PCV lub elastycznego przewodu elektrycznego i poprowadzili je w górę słupka rejestratora danych na około 60 cm (2 stopy). Zapobiegnie to uszkodzeniom przez gryzonie lub łopaty. Ponadto należy starannie przymocować kable do słupka za pomocą opasek zaciskowych UV, tak aby były mocno trzymane, ale nie ciągnęły się za rejestratorem danych (upewnij się, że jest jakieś odciążenie). Podczas wizyt na miejscu warto również sprawdzić uszczelki rejestratora danych pod kątem pęknięć. Jeśli uszczelka rejestratora danych jest pęknięta, może nie być odporna na warunki atmosferyczne i należy ją wymienić. Skontaktuj się z obsługą klienta w celu bezpłatnej wymiany.
Ponadto badacze powinni sprawdzać rzeczywiste dane tak często, jak to możliwe, aby rozwiązywać problemy. Pewien naukowiec odkrył błąd w swoich danych z pyranometru, porównując je z czujnikiem kwantowym na tej samej wysokości. Dopiero patrząc na rzeczywiste wartości odkrył, że ptak zabrudził jego czujnik promieniowania słonecznego, czyniąc go bezużytecznym dla znacznej części jego badań. Skończyło się na tym, że musiał obliczyć dane z czujnika kwantowego, które nie były tak dokładne. Regularne sprawdzanie danych zapobiegnie problemom, które mogą być szkodliwe dla projektu badawczego. Nowy ZENTRA Cloud i ZL6 pozwalają badaczom na rozwiązywanie problemów i tworzenie wykresów danych tak często, jak to tylko możliwe. Zaledwie dwie do trzech minut poświęconych na dostrzeżenie trendów lub wykrycie błędów może zaoszczędzić tygodnie utraconych danych.
The ZL6podobnie jak jego poprzednicy, uśrednia dane. Jeśli więc badacze nie chcą średniej, powinni częściej rejestrować dane. Jednak generowanie dużych ilości danych niekoniecznie przyczyni się do osiągnięcia celu. Ważne jest uchwycenie i zrozumienie szeregu czasowego, który odnosi się do hipotezy badawczej. Jeśli badacz próbuje zrozumieć roczne trendy wilgotności gleby i pobiera dane z pięciu minut, wygeneruje mnóstwo danych, które nie będą przydatne, ponieważ wilgotność gleby nie zmienia się zbytnio w ciągu minuty. Następnie badacz jest zmuszony do przetwarzania końcowego w celu rozrzedzenia danych. Mimo to, jeśli celem badania jest poznanie momentu, w którym woda zaczyna infiltrować glebę, przechwytywanie danych w odstępach jednominutowych lub krótszych ma kluczowe znaczenie. Badacze ci będą potrzebować rejestratora danych Campbell Scientific lub takiego, który będzie w stanie wyzwolić zdarzenie odczytu w oparciu o natychmiastową zmianę. Jednak większość ludzi przecenia ilość potrzebnych danych. W przypadku pomiaru promieniowania słonecznego, najprawdopodobniej wystarczy co 15 minut. W przypadku ewapotranspiracji powszechne jest rejestrowanie danych co pół godziny. W tych i wielu innych przypadkach krótkie interwały rejestracji, takie jak co pięć minut, są prawdopodobnie zbyt częste.
Innym ważnym krokiem, o którym badacze często zapominają, jest dopasowanie częstotliwości pomiarów wszystkich rejestratorów danych. Jeśli badacz ma dwa rejestratory danych odczytujące dane co 15 minut, a ktoś inny skonfiguruje rejestrator do odczytu co godzinę, wówczas można wykorzystać tylko dane godzinowe.
Jeśli naukowiec odkryje błąd w danych, niekoniecznie jest to spowodowane uszkodzeniem czujnika. Często interesujące odczyty czujników opowiadają historię o tym, co dzieje się w glebie lub środowisku. Interpretacja danych może być czasami trudna, a badacze mogą potrzebować wrócić na miejsce, aby zrozumieć, co się naprawdę dzieje. Na przykład: na rysunku 22 wygląda na to, że czujnik wilgotności gleby może być uszkodzony, jednak gdy naukowiec zbadał go dokładniej, odkrył, że ewapotranspiracja była wyższa niż infiltracja.
Ponadto badacze mogą potrzebować nieszablonowego myślenia, aby zinterpretować swoje dane. Mogą spróbować spojrzeć na dane na kilka różnych sposobów. Rysunek 23 ilustruje tradycyjny czasowy sposób tworzenia wykresów danych. Na rysunku 24 te same dane można wyświetlić w zupełnie inny sposób.
Naukowcy mogą również przekonwertować dane dotyczące zawartości wody na potencjał wody za pomocą krzywej uwalniania wilgoci (patrz rysunek 25).
Po uzyskaniu danych dotyczących potencjału wody dane będą wyglądać następująco:
Wykreślenie tych samych danych na trzy różne sposoby może naświetlić kwestie lub problemy, których badacz mógłby nie zauważyć w przypadku tradycyjnego wykresu czasowego.
Poświęcenie niewielkiej ilości dodatkowego czasu na prawidłowe przeprowadzenie eksperymentu przynosi duże korzyści w postaci zaoszczędzonego czasu, wysiłku i pieniędzy. Przygotowanie, planowanie, jasno określony cel badawczy, właściwy wybór miejsca, instalacja, konserwacja, harmonogram i prawidłowa interpretacja danych - wszystko to znacznie przyczynia się do zapobiegania typowym błędom w danych, które mogą zagrozić projektowi badawczemu. Efekt końcowy? Dane, które można opublikować lub wykorzystać do podejmowania decyzji.
W poniższym filmie dr Colin Campbell omawia, w jaki sposób ZENTRA Cloud upraszcza proces gromadzenia danych i dlaczego badacze nie mogą sobie pozwolić na życie bez niego. Następnie oprowadza na żywo po funkcjach ZENTRA Cloud .
Chcesz zobaczyć, jak ZENTRA Cloud rewolucjonizuje gromadzenie danych i zarządzanie nimi dla setek badaczy? Poproś o dostęp do naszego konta testowego na żywo lub wybierz się na wirtualną wycieczkę, aby zobaczyć, jak ZENTRA Cloud zwraca się i nie tylko.
Zanurz się głęboko w wiedzę o wilgotności gleby. W poniższym webinarium dr Colin Campbell omawia, jak interpretować zaskakujące i problematyczne dane dotyczące wilgotności gleby. Uczy również, czego można się spodziewać w różnych sytuacjach związanych z glebą, terenem i środowiskiem.
Wszystko, co musisz wiedzieć o pomiarze potencjału wody - czym jest, dlaczego jest potrzebny, jak go mierzyć, porównania metod. Ponadto można go zobaczyć w akcji, korzystając z krzywych uwalniania wilgoci z gleby.
Dogłębne spojrzenie na siedem podstawowych kroków, o których warto pomyśleć podczas konfigurowania stacji pogodowej w celu uzyskania najwyższej jakości danych pogodowych.
Uproszczone zarządzanie nawadnianiem. Doskonałe zarządzanie wodą i składnikami odżywczymi bez straty czasu i pieniędzy z powodu problemów spowodowanych nadmiernym nawadnianiem.
Regularne otrzymywanie najnowszych treści.
