WSPÓŁTWÓRCY

DLACZEGO WARTO MIERZYĆ POTENCJAŁ WODY?

Pewien ekolog zainstalował rozległą sieć czujników wilgotności gleby, aby zbadać wpływ nachylenia zbocza na ilość wody dostępnej dla roślin. Zebrał mnóstwo danych na temat wilgotności gleby, ale ostatecznie był sfrustrowany, ponieważ nie mógł określić , ile wody było dostępne dla roślin.

Nie jest on osamotniony w swojej frustracji. Dokładne, niedrogie czujniki wilgotności gleby sprawiły, że wilgotność gleby stała się słusznie popularnym pomiarem, ale jak wiele osób odkryło, dobry młotek nie sprawi, że każdy problem z wodą w glebie stanie się gwoździem. Zawartość wody może jedynie pokazać, ile wody jest w glebie. Przewodność hydrauliczna pokazuje, jak szybko woda może się przemieszczać. Potencjał wody (ssanie gleby) pokazuje natomiast, czy woda jest dostępna dla roślin, czy będzie się przemieszczać i dokąd trafi.

Zmienne intensywne nie zmieniają się w zależności od rozmiaru lub sytuacji

Aby zrozumieć potencjał wodny i dlaczego jest on potrzebny, 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.

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 1 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.

Dowiedz się więcej o zmiennych intensywnych i ekstensywnych.

Zawartość wody nie pozwala przewidzieć jej ruchu

Podobnie jak zawartość ciepła, zawartość wody jest wielkością. Jest to zmienna o szerokim zakresie. Zmienia się wraz z rozmiarem i sytuacją. Rozważmy następujące paradoksy:

• Gleba o dość niskiej objętościowej zawartości wody może mieć dużo wody dostępnej dla roślin, a gleba o wysokiej zawartości wody może nie mieć jej prawie wcale
• Grawitacja ciągnie wodę w dół przez profil, ale woda przemieszcza się w górę do gleby z lustra wody
• Dwa sąsiadujące płaty gleby w stanie równowagi mogą mieć znacząco różną zawartość wody

W tych i wielu innych przypadkach dane dotyczące zawartości wody są mylące, ponieważ nie przewidują, w jaki sposób woda się porusza. Potencjał wody mierzy stan energetyczny wody, a tym samym wyjaśnia realia ruchu wody, które w przeciwnym razie są sprzeczne z intuicją. Tak jak temperatura określa poziom komfortu człowieka, tak potencjał wody określa poziom komfortu rośliny. Jeśli potencjał wody jest znany, można przewidzieć, czy rośliny będą dobrze rosły, czy będą zestresowane w dowolnym środowisku.

Jak potencjał wodny określa poziom komfortu rośliny

Zawartość wody nie jest wskaźnikiem "komfortu" rośliny, ponieważ gleba, glina, piasek, ziemia doniczkowa i inne podłoża zatrzymują wodę w różny sposób. Wyobraźmy sobie piasek o 30% zawartości wody. Ze względu na niską powierzchnię, piasek będzie zbyt mokry dla optymalnego wzrostu roślin, grożąc brakiem napowietrzenia korzeni i flirtując z nasyceniem. Weźmy teraz pod uwagę glinę o drobnej teksturze i tej samej 30% zawartości wody. Glina może wydawać się tylko wilgotna i być znacznie poniżej optymalnego "komfortu" dla rośliny ze względu na powierzchnię gliny wiążącą wodę i zmniejszającą jej dostępność dla rośliny.

Pomiary potencjału wody wyraźnie wskazują dostępną wodę w roślinie i w przeciwieństwie do zawartości wody, istnieje łatwa skala odniesienia -optymalny poziom dla roślinwynosi od około -2 do 5 kPa, czyli po bardzo wilgotnej stronie, do około -100 kPa, na suchym końcu optymalnego poziomu. Poniżej tej wartości rośliny będą miały deficyt wody, a powyżej -1000 kPa zaczną cierpieć. W zależności od rośliny, potencjał wody poniżej -1000 do -2000 kPa powoduje trwałe więdnięcie. Tabela 1 przedstawia łatwą skalę referencyjną dla niektórych rodzajów upraw. Rośliny nie będą narażone na stres i dadzą większe plony, jeśli będą utrzymywane w tym zakresie potencjału wody.

Większość aplikacji wymaga zarówno potencjału wodnego, jak i zawartości wody

Chociaż potencjał wodny jest lepszym wskaźnikiem dostępnej wody w roślinie niż zawartość wody, w większości sytuacji przydatne jest użycie zarówno czujników potencjału wodnego, jak i czujników wilgotności gleby.

Pomiar intensywności potencjału wodnego nie przekłada się bezpośrednio na ilość zmagazynowanej lub potrzebnej wody. Informacje o zawartości wody są również wymagane w zastosowaniach takich jak zarządzanie nawadnianiem i badania bilansu wodnego. Aby uzyskać więcej informacji, przeczytaj: "Kiedy nawadniać - podwójne pomiary rozwiązują zagadkę".

Obejrzyj Potencjał wody 101

W tym webinarium dr Doug Cobos odróżnia potencjał wody od zawartości wody, omawia teorię, zastosowanie i kluczowe składniki potencjału wody, a także implikacje potencjału wody dla badaczy i zarządzania nawadnianiem.

DEFINICJA POTENCJAŁU WODY

Potencjał wody to energia wymagana do przetransportowania nieskończenie małej ilości wody z próbki do referencyjnej puli czystej, wolnej wody. Aby zrozumieć, co to oznacza, porównaj wodę w próbce gleby do wody w szklance. Woda w szklance jest względnie wolna i dostępna; woda w glebie jest związana z powierzchniami rozcieńczonymi substancjami rozpuszczonymi i pod ciśnieniem lub napięciem. W rzeczywistości woda w glebie ma inny stan energetyczny niż "wolna" woda. Wolna woda może być dostępna bez wywierania jakiejkolwiek energii. Woda glebowa może być pobierana tylko poprzez wydatkowanie energii. Potencjał wody glebowej wyraża, ile energii trzeba by poświęcić, aby wyciągnąć wodę z próbki gleby.

Potencjał wody w glebie jest właściwością różnicową. Aby pomiar miał znaczenie, należy określić odniesienie. Odniesieniem jest zazwyczaj czysta, wolna woda na powierzchni gleby. Potencjał wody tego odniesienia wynosi zero. Potencjał wody w środowisku jest prawie zawsze mniejszy od zera, ponieważ trzeba dodać energię, aby wydostać wodę.

Potencjał wody odpowiada na dwa kluczowe pytania

1. Ruch wody

Woda zawsze przepływa od wysokiego potencjału do niskiego potencjału. Jest to druga zasada termodynamiki - energia przepływa wzdłuż gradientu zmiennej intensywnej. Woda będzie przemieszczać się z lokalizacji o wyższej energii do lokalizacji o niższej energii, aż lokalizacje osiągną równowagę, jak pokazano na rysunku 3. Na przykład, jeśli potencjał wody w glebie wynosiłby -50 kPa, woda przemieszczałaby się w kierunku bardziej ujemnego -100 kPa, aby stać się bardziej stabilna.

2. Dostępność wody dla roślin

Ciekła woda przemieszcza się z gleby do i przez korzenie, przez ksylem roślin, do liści i ostatecznie wyparowuje w podkomorowych zagłębieniach liścia. Siłą napędową tego przepływu jest gradient potencjału wody. Tak więc, aby woda mogła przepływać, potencjał wody w liściach musi być niższy niż potencjał wody w glebie. Na rysunku 4 gleba ma wartość -0,3 MPa, a korzenie są nieco bardziej ujemne i mają wartość -0,5 MPa. Oznacza to, że korzenie będą pobierać wodę z gleby. Następnie woda będzie przemieszczać się w górę przez ksylem i na zewnątrz przez liście. Atmosfera o ciśnieniu -100 MPa napędza ten gradient.

Irygatorzy i naukowcy używają czujników potencjału wody w połączeniu z czujnikami zawartości wody, aby zrozumieć dostępność wody dla roślin. Na rysunku 5 można zaobserwować, gdzie spada zawartość wody i przy jakim procencie rośliny zaczynają odczuwać stres. Możliwe jest również rozpoznanie, kiedy gleba ma zbyt dużo wody: zawartość wody jest powyżej miejsca, w którym czujniki potencjału wody zaczynają wyczuwać stres roślin. Korzystając z tych informacji, naukowcy mogą zidentyfikować optymalny zakres dla roślin na poziomie 12% do 17% objętościowej zawartości wody. Wszystko poniżej lub powyżej tego zakresu oznacza zbyt małą lub zbyt dużą ilość wody.

Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak potencjał wodny gleby wskazuje dostępność wody dla roślin, przeczytaj "Kiedy podlewać: Podwójne pomiary rozwiązują zagadkę".

Nazwy, zakresy i jednostki potencjału wody

Rysunek 6 ilustruje, że istnieją różne przyrządy do pomiaru potencjału wody, które mierzą różne zakresy. Obejrzyj film, aby zobaczyć, jak można połączyć przyrządy METER LABROS , aby zmierzyć pełny zakres potencjału wody w glebie. Dowiedz się więcej o tym, jak mierzyć potencjał wody i które przyrządy są używane w jakim celu.

Potencjał wody jest często nazywany napięciem wody, ssaniem gleby i ciśnieniem wody w porach gleby. Zazwyczaj używamy jednostek ciśnienia do opisania potencjału wody w glebie, w tym megapaskali (MPa), kilopaskali (kPa), barów i metrów (_mH2O), centymetrów (_cmH2O) lub milimetrów wody (_mmH2O).

Potencjał wody jest w rzeczywistości mierzony w energii na jednostkę masy, więc oficjalnymi jednostkami powinny być dżule na kilogram, ale jeśli weźmiemy pod uwagę gęstość wody, jednostkami stają się kilopaskale, dlatego zazwyczaj opisujemy go za pomocą jednostek ciśnienia.

Składniki potencjału wody

Całkowity potencjał wody jest sumą czterech różnych składników.

• Potencjał matrycowy: Wiązanie wody z powierzchniami
• Potencjał osmotyczny: Wiązanie z substancjami rozpuszczonymi w wodzie
• Potencjał grawitacyjny: Położenie wody w polu grawitacyjnym.
• Potencjał ciśnienia: ciśnienie hydrostatyczne lub pneumatyczne wywierane na wodę

Jak obliczyć potencjał wody

Potencjał wody w glebie jest sumą czterech różnych składników: potencjału grawitacyjnego + potencjału matrykalnego + potencjału ciśnienia + potencjału osmotycznego (równanie 1).

Potencjał matrykalny jest najważniejszym składnikiem gleby, ponieważ odnosi się do wody przylegającej do powierzchni gleby. Na rysunku 7 potencjał macierzowy jest tym, co tworzy 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 matrykalny maleje.

Potencjał matematyczny

Potencjał macierzowy powstaje, ponieważ woda jest przyciągana do większości powierzchni poprzez wiązania wodorowe i siły van der Waalsa. Gleba składa się z małych cząstek, zapewniając wiele powierzchni, które wiążą wodę. Wiązanie to w dużym stopniu zależy od rodzaju gleby. Na przykład gleba piaszczysta ma duże cząstki, które zapewniają mniej miejsc wiązania powierzchniowego, podczas gdy glina pylasta ma mniejsze cząstki i więcej miejsc wiązania powierzchniowego.

Obejrzyj poniższy film, aby zobaczyć potencjał macierzy w akcji.

Poniższy rysunek, przedstawiający krzywe uwalniania wilgoci dla trzech różnych rodzajów gleby, pokazuje wpływ powierzchni. Piasek, zawierający 10% wody, ma wysoki potencjał matrykalny, a woda jest łatwo dostępna dla organizmów i roślin. Glina pylasta, zawierająca 10% wody, będzie miała znacznie niższy potencjał macierzysty, a woda będzie znacznie mniej dostępna.

Potencjał matrycowy jest zawsze ujemny lub zerowy i jest najważniejszym składnikiem potencjału wodnego gleby w warunkach nienasyconych.

Dowiedz się więcej o krzywych uwalniania wilgoci i związku między potencjałem wodnym gleby a zawartością wody w glebie tutaj.

Tensjometry i TEROS 21 to czujniki potencjału wody w glebie, które mierzą potencjał macierzysty w terenie. Aby dowiedzieć się, który czujnik potencjału wody w glebie jest odpowiedni do danego zastosowania, przeczytaj "Który czujnik gleby jest dla Ciebie idealny?".

Potencjał osmotyczny

Potencjał osmotyczny opisuje rozcieńczanie i wiązanie wody przez substancje rozpuszczone w wodzie. Potencjał ten jest zawsze ujemny.

Potencjał osmotyczny wpływa na system tylko wtedy, gdy istnieje półprzepuszczalna bariera, która blokuje przejście substancji rozpuszczonych. Jest to dość powszechne zjawisko w przyrodzie. Na przykład korzenie roślin przepuszczają wodę, ale blokują większość substancji rozpuszczonych. Błony komórkowe również tworzą półprzepuszczalną barierę. Mniej oczywistym przykładem jest interfejs powietrze-woda, gdzie woda może przenikać do powietrza w fazie parowej, ale sole pozostają z tyłu.

Potencjał osmotyczny można obliczyć z następującego równania, jeśli znane jest stężenie substancji rozpuszczonej w wodzie

Gdzie C to stężenie substancji rozpuszczonej (mol/kg), ɸ to współczynnik osmotyczny (-0,9 do 1 dla większości substancji rozpuszczonych), v to liczba jonów na mol (NaCl = 2, _CaCl2 = 3, sacharoza = 1), R to stała gazowa, a T to temperatura Kelvina.

Potencjał osmotyczny jest zawsze ujemny lub zerowy i jest istotny w roślinach i niektórych glebach słonych.

Potencjał grawitacyjny

Potencjał grawitacyjny wynika z położenia wody w polu grawitacyjnym. Może być dodatni lub ujemny, w zależności od tego, gdzie się znajdujesz w stosunku do określonego odniesienia czystej, wolnej wody na powierzchni gleby. Potencjał grawitacyjny wynosi zatem

Gdzie G to stała grawitacyjna (9,8 m ^s-2), a H to pionowa odległość od wysokości odniesienia do powierzchni gleby (określona wysokość).

Potencjał ciśnienia

Potencjał ciśnienia to ciśnienie hydrostatyczne lub pneumatyczne wywierane na wodę. Jest to bardziej makroskopowy efekt działający w większym obszarze systemu.

Istnieje kilka przykładów potencjału nadciśnienia w środowisku naturalnym. Na przykład, pod powierzchnią każdej wody gruntowej występuje nadciśnienie. Możesz poczuć to ciśnienie, gdy zanurzysz się w jeziorze lub basenie. Podobnie, wysokość ciśnienia lub potencjał nadciśnienia rozwija się, gdy poruszasz się poniżej lustra wody. Ciśnienie Turgora w roślinach i ciśnienie krwi u zwierząt to dwa kolejne przykłady dodatniego potencjału ciśnienia.

Potencjał ciśnienia można obliczyć na podstawie

Gdzie P to ciśnienie (_Pa), a_PW to gęstość wody.

Chociaż potencjał ciśnienia jest zwykle dodatni, istnieją ważne przypadki, w których tak nie jest. Jeden z nich występuje w roślinach, gdzie ujemny potencjał ciśnienia w ksylemie zasysa wodę z gleby przez korzenie do liści.

Potencjał wody i wilgotność względna

Potencjał wody i wilgotność względna są powiązane równaniem Kelvina. Jeśli znasz temperaturę i wilgotność, możesz obliczyć potencjał wody za pomocą tego równania

Gdzie Ψ to potencjał wody (MPa), _HR to wilgotność względna (bez jednostek), R to uniwersalna stała gazowa (8,3143 J ^mol-1 K ^-1), _MW to masa wody (18,02 g/mol), a T to temperatura Kelvina.

Czym jest potencjał wody? Punkty do zapamiętania

Potencjał wodny:

• Opisuje stan energetyczny wody w środowisku.
• Określa dostępność wody dla organizmów

Kluczowe punkty:

• Woda zawsze będzie przepływać od wysokiego potencjału do niskiego potencjału
• Jest to drugie prawo termodynamiki - energia przepływa wzdłuż gradientu zmiennej intensywnej

Więcej odpowiedzi na pytanie "czym jest potencjał wody" można znaleźć tutaj: Powrót do głównej strony potencjału wody lub Porozmawiaj z ekspertem na temat wykorzystania potencjału wody w Twojej aplikacji.

Odniesienia do potencjału wody w glebie do dalszych badań

Kirkham, Mary Beth. Zasady stosunków wodnych gleby i roślin. Academic Press, 2014. Link do książki

Taylor, Sterling A. i Gaylen L. Ashcroft. Edafologia fizyczna. Fizyka gleb nawadnianych i nienawadnianych. 1972. Link do książki

Hillel, Daniel. Podstawy fizyki gleby. Academic Press, 2013. Link do książki

Dane, Jacob H., G. C. Topp i Gaylon S. Campbell. Metody fizycznej analizy gleby. Nr 631.41 S63/4. 2002.

Obserwuj potencjał wody 201

Webinarium dr Colina Campbella "Potencjał wody 201: Wybór odpowiedniego przyrządu" obejmuje teorię przyrządów do pomiaru potencjału wody, w tym wyzwania związane z pomiarem potencjału wody oraz sposób wyboru i korzystania z różnych przyrządów do pomiaru potencjału wody.

KTÓRA METODA POMIARU POTENCJAŁU WODY JEST DLA CIEBIE ODPOWIEDNIA?

Zasadniczo istnieją tylko dwie podstawowe metody pomiaru potencjału wody - tensjometryi metody ciśnienia pary. Tensjometry działają w zakresie mokrym - specjalnetensjometry, które opóźniają temperaturę wrzenia wody, mają zakres od 0 do około -0,2 MPa. Metody ciśnienia pary działają w zakresie suchym - od około -0,1 MPa do -300 MPa (0,1 MPa to 99,93% wilgotności względnej; -300 MPa to 11%).

W przeszłości zakresy te nie pokrywały się, ale ostatnie postępy w technologii tensjometrów i czujników temperatury zmieniły ten stan rzeczy. Teraz wykwalifikowany użytkownik z doskonałymi metodami i najlepszym sprzętem może zmierzyć pełny zakres potencjału wody w laboratorium.

Istnieją jednak powody, aby przyjrzeć się dodatkowym metodom pomiaru. Metody pomiaru ciśnienia pary nie są przydatne na miejscu, a dokładność tensjometru musi być okupiona stałą, staranną konserwacją (choć dostępna jest wersja tensjometru z własnym napełnianiem ).

Ponadto istnieją tradycyjne metody, takie jak bloki gipsowe, płyty dociskowe i bibuła filtracyjna, które należy zrozumieć. W tej sekcji krótko omówiono mocne strony i ograniczenia każdej z metod.

Płyty dociskowe

Płyta dociskowa została wprowadzona w latach trzydziestych XX wieku przez L.A. Richardsa. W rzeczywistości nie mierzy ona potencjału wody w próbce. Zamiast tego doprowadza próbkę do określonego potencjału wody, wywierając na nią ciśnienie i pozwalając nadmiarowi wody wypłynąć przez porowatą płytkę ceramiczną. Gdy próbka osiągnie stan równowagi, jej potencjał wodny będzie równoważny zastosowanemu ciśnieniu.

Płyty ciśnieniowe są zwykle używane do tworzenia krzywych charakterystycznych wilgotności gleby. Gdy próbki gleby osiągną określony potencjał wody pod ciśnieniem, badacz może usunąć próbkę z płyty i wysuszyć ją, aby zmierzyć zawartość wody. Charakterystykę wilgotności gleby można uzyskać, wykonując te pomiary przy różnych ciśnieniach w aparacie z płytą dociskową.

Dokładność płyt dociskowych jest ważna, ponieważ są one często używane do kalibracji innych drugorzędnych metod pomiarowych.

Płyty dociskowe mają problemy z równowagą

Aby uzyskać dokładną krzywą uwalniania wilgoci za pomocą płyty dociskowej, należy upewnić się, że próbka w pełni osiągnęła równowagę przy wyznaczonym ciśnieniu. Kilku recenzentów, w tym Gee et. al (2002), Cresswell et. al (2008) oraz Bittelli i Flury (2009) zauważyli problemy z tym założeniem.

Błędy, szczególnie przy niskim potencjale wody, mogą być spowodowane zatkanymi porami w ceramice płyty dociskowej, ograniczeniem przepływu w próbce, utratą kontaktu hydraulicznego między płytą a glebą z powodu kurczenia się gleby oraz ponownym poborem wody po zwolnieniu nacisku na płytę. Przy niskim potencjale wody, niska przewodność hydrauliczna może spowodować, że osiągnięcie równowagi zajmie tygodnie lub nawet miesiące. Gee et. al (2002) zmierzyli potencjał wody próbek równoważonych przez 9 dni na płytach ciśnieniowych 15 bar i stwierdzili, że wynosi on -0,5 MPa zamiast oczekiwanego -1,5 MPa. Zwłaszcza podczas konstruowania krzywej uwalniania wilgoci w celu oszacowania przewodności hydraulicznej i określenia dostępnej dla roślin wody, pomiary płyt ciśnieniowych przy potencjale mniejszym niż -0,1 MPa (-1 bar) mogą powodować znaczny błąd (Bittelli i Flury, 2009).

Ponadto Baker i Frydman (2009) teoretycznie ustalili, że matryca gleby będzie odwadniać się inaczej pod nadciśnieniem niż pod ssaniem. Postulują oni, że równowagowe zawartości wody osiągane przy użyciu ssania będą znacznie różnić się od tych, które występują w warunkach naturalnych. Anegdotyczne dowody wydają się potwierdzać ten pomysł, choć potrzebne są dalsze testy. Ostatecznie płyty ciśnieniowe mogą mieć wystarczającą dokładność w zakresie mokrym (0 do -0,5 MPa) dla niektórych zastosowań, ale inne metody mogą zapewnić lepszą dokładność, co może być szczególnie ważne przy wykorzystywaniu danych do modelowania lub kalibracji.

Metody wykorzystujące ciśnienie pary

Higrometr punktu rosyWP4C jest jednym z niewielu dostępnych na rynku przyrządów, które obecnie wykorzystują tę technikę. Podobnie jak tradycyjne psychrometry termoparowe, higrometr punktu rosy wyrównuje próbkę w szczelnej komorze.

Małe lustro w komorze jest schładzane do momentu, aż zacznie się na nim tworzyć rosa. W punkcie rosy urządzenie WP4C mierzy temperaturę lustra i próbki z dokładnością do 0,001◦C, aby określić wilgotność względną pary wodnej nad próbką.

Zalety

Najnowsza wersja tego higrometru punktu rosy ma dokładność ±1% od -5 do -300 MPa i jest stosunkowo łatwa w użyciu. Wiele rodzajów próbek można przeanalizować w ciągu pięciu do dziesięciu minut, chociaż próbki mokre wymagają więcej czasu.

Ograniczenia

Przy wysokich potencjałach wody różnice temperatur między ciśnieniem pary nasyconej a ciśnieniem pary wewnątrz komory próbki stają się znikomo małe.

Ograniczenia rozdzielczości pomiaru temperatury oznaczają, że metody pomiaru ciśnienia pary prawdopodobnie nigdy nie wyprą tensjometrów.

Higrometr punktu rosy ma zakres od -0,1 do -300 MPa, chociaż odczyty mogą być dokonywane powyżej -0,1 MPa przy użyciu specjalnych technik. Tensjometry pozostają najlepszą opcją dla odczytów w zakresie od 0 do -0,1 MPa.

Tensjometry i technika Wind/Schindler

Jest to HYPROP to unikalne urządzenie laboratoryjne, które wykorzystuje metodę parowania Wind/Schindler do tworzenia krzywych uwalniania wilgoci na glebach o potencjale wodnym w zakresie tensjometru.

Hyprop wykorzystuje dwa precyzyjne mini-tensjometry do pomiaru potencjału wody na różnych poziomach w nasyconej próbce gleby o objętości 250 ^cm3, podczas gdy próbka spoczywa na wadze laboratoryjnej. W miarę upływu czasu próbka wysycha, a urządzenie jednocześnie mierzy zmieniający się potencjał wody i zmieniającą się masę próbki. Urządzenie oblicza zawartość wilgoci na podstawie pomiarów masy i wykreśla zmiany potencjału wody skorelowane ze zmianami zawartości wilgoci.

Wyniki są weryfikowane, a wartości suchego zakresu i nasycenia są obliczane zgodnie z wybranym modelem (tj. van Genuchten/Mualem, bimodalnym van Genuchten/Mualem lub Brooks i Corey).

Zalety

Hyprop charakteryzuje się wysoką dokładnością i generuje pełną krzywą uwalniania wilgoci w zakresie wilgotnym. Wykonanie krzywej zajmuje od trzech do pięciu dni, ale urządzenie działa bez nadzoru.

Ograniczenia

Hypropjest ograniczony zakresem tensjometrów, chociaż mini tensjometry były używane do pomiarów powyżej -250 kPa (-0,25 MPa) ze względu na ich funkcję opóźniania wrzenia.

Poniżej -250 kPa tensjometry kawitują. Zaawansowani użytkownicy mają możliwość dodania ostatniego punktu do krzywej w punkcie wejścia powietrza do ceramicznego kubka tensometru (-880 kPa; -0,88 MPa).

Tensjometry

Potencjał wody, z definicji, jest miarą różnicy energii potencjalnej między wodą w próbce a wodą w referencyjnym zbiorniku czystej, wolnej wody. Tensjometr jest urzeczywistnieniem tej definicji.

Rurka tensjometru zawiera zbiornik (teoretycznie) czystej, wolnej wody. Zbiornik ten jest połączony (przez przepuszczalną membranę) z próbką gleby. Dzięki drugiej zasadzie termodynamiki, woda przemieszcza się ze zbiornika do gleby, aż jej energia jest równa po obu stronach membrany. Powoduje to powstanie próżni w rurce. Tensjometr wykorzystuje miernik podciśnienia (wakuometr) do pomiaru siły tej próżni i opisuje potencjał wody w kategoriach ciśnienia.

Zalety

Tensjometry są prawdopodobnie najstarszym rodzajem przyrządów do pomiaru potencjału wody (początkowa koncepcja pochodzi co najmniej od Livingstona z 1908 roku), ale nadal mogą być bardzo przydatne. W rzeczywistości, w zakresie wilgotnym, wysokiej jakości tensjometr, używany umiejętnie, może mieć doskonałą dokładność.

Ograniczenia

Zakres tensjometru jest ograniczony przez zdolność wody wewnątrz rurki do wytrzymania próżni. Chociaż woda jest zasadniczo nieściśliwa, nieciągłości na powierzchni wody, takie jak krawędzie lub żwir, stanowią punkty zarodkowania, w których silne wiązania wody są przerywane i występuje kawitacja (wrzenie pod niskim ciśnieniem). Większość tensjometrów kawituje około -80 kPa, w samym środku zakresu dostępnego dla roślin.

Jednak niemiecka firma METER Group Ag buduje tensjometry , które są nowoczesnymi klasykami dzięki precyzyjnej niemieckiej inżynierii, skrupulatnej konstrukcji i fanatycznej dbałości o szczegóły. Tensjometry te charakteryzują się niezwykłą dokładnością i zakresem, który (przy ostrożnym operatorze) może sięgać -250 kPa.

Metody drugorzędne: wykorzystanie właściwości wilgoci

Zawartość wody jest zwykle łatwiejsza do zmierzenia niż potencjał wody, a ponieważ te dwie wartości są ze sobą powiązane, możliwe jest wykorzystanie pomiaru zawartości wody do określenia potencjału wody.

Wykres pokazujący, jak potencjał wody zmienia się w miarę adsorpcji i desorpcji wody w określonej matrycy gleby, nazywany jest charakterystyką wilgotności lub krzywą uwalniania wilgoci.

Każda matryca, która może zatrzymać wodę, ma unikalną charakterystykę wilgotności, tak unikalną i charakterystyczną jak odcisk palca. W glebach nawet niewielkie różnice w składzie i teksturze mają znaczący wpływ na charakterystykę wilgotności.

Niektórzy badacze opracowują charakterystykę wilgotności dla określonego typu gleby i wykorzystują ją do określenia potencjału wody na podstawie odczytów zawartości wody. Czujniki potencjału macierzy przyjmują prostsze podejście, wykorzystując drugą zasadę termodynamiki.

Czujniki potencjału macierzy

Czujniki potencjału macierzy wykorzystują porowaty materiał o znanej charakterystyce wilgotności. Ponieważ wszystkie systemy energetyczne dążą do równowagi, porowaty materiał osiągnie równowagę potencjału wody z otaczającą go glebą.

Korzystając z charakterystyki wilgotności porowatego materiału, można następnie zmierzyć zawartość wody w porowatym materiale i określić potencjał wodny zarówno porowatego materiału, jak i otaczającej gleby. Czujniki potencjału matrycowego wykorzystują różne materiały porowate i kilka różnych metod określania zawartości wody.

Dokładność zależy od niestandardowej kalibracji

W najlepszym przypadku czujniki potencjału macierzy mają dobrą, ale nie doskonałą dokładność. W najgorszym przypadku metoda ta może jedynie powiedzieć, czy gleba staje się bardziej wilgotna czy sucha. Dokładność czujnika zależy od jakości charakterystyki wilgotności opracowanej dla porowatego materiału i jednorodności użytego materiału. Aby uzyskać dobrą dokładność, konkretny użyty materiał powinien zostać skalibrowany przy użyciu podstawowej metody pomiaru. Czułość tej metody zależy od tego, jak szybko zmienia się zawartość wody wraz ze zmianą potencjału wody. Precyzja zależy od jakości pomiaru zawartości wilgoci.

Na dokładność może również wpływać wrażliwość na temperaturę. Metoda ta opiera się na warunkach izotermicznych, które mogą być trudne do osiągnięcia. Różnice temperatur między czujnikiem a glebą mogą powodować znaczne błędy.

Ograniczony zasięg

Wszystkie czujniki potencjału matrycowego są ograniczone przez przewodność hydrauliczną: gdy gleba staje się bardziej sucha, porowaty materiał potrzebuje więcej czasu, aby się zrównoważyć. Zmiana zawartości wody również staje się niewielka i trudna do zmierzenia. W przypadku mokrej gleby zakres czujnika jest ograniczony przez potencjał wnikania powietrza przez używany materiał porowaty.

Papier filtracyjny

Metoda bibuły filtracyjnej została opracowana w latach trzydziestych XX wieku przez gleboznawców jako alternatywa dla dostępnych wówczas metod. Jako medium porowate stosuje się określony rodzaj bibuły filtracyjnej (Whitman nr 42 Ashless). Próbki są równoważone za pomocą bibuły filtracyjnej. Próbki są równoważone z bibułą filtracyjną w szczelnej komorze w stałej temperaturze. Grawimetryczna zawartość wody w bibule filtracyjnej jest określana przy użyciu suszarki, a potencjał wody jest określany na podstawie wcześniej ustalonej krzywej charakterystyki wilgotności bibuły filtracyjnej. Deka et al. (1995) stwierdzili, że do pełnego wyrównania potrzeba co najmniej 6 dni.

Zasięg

Powszechnie przyjmuje się, że zakres bibuły filtracyjnej wynosi do -100 MPa, jeśli pozwoli się na pełną równowagę. Jednakże, jak pokazano na ilustracji, błędy wynikające z gradientów temperatury stają się wyjątkowo duże przy potencjale wody bliskim zeru.

Metoda ta jest niedroga i prosta, ale nie jest dokładna. Wymaga warunków izotermicznych, które mogą być trudne do osiągnięcia. Niewielkie wahania temperatury mogą powodować znaczące błędy.

Dostępne na rynku czujniki potencjału macierzy

Bloki gipsowe: tanie i proste

Bloki gipsowe są często używane jako proste wskaźniki nawadniania. Bloki gipsowe mierzą opór elektryczny bloku gipsu, który reaguje na zmiany w otaczającej glebie. Opór elektryczny jest proporcjonalny do potencjału wody.

Zalety

Bloki gipsowe są niezwykle tanie i dość łatwe w użyciu.

Wady

Odczyty są zależne od temperatury i mają bardzo niską dokładność. Ponadto gips rozpuszcza się z czasem, zwłaszcza w glebach zasolonych, i traci swoje właściwości kalibracyjne. Bloki gipsowe informują o wilgotności lub suchości, ale niewiele więcej.

Granularne czujniki matrycowe: łatwe i tanie, ale o ograniczonej dokładności

Podobnie jak bloki gipsowe, granulowane czujniki matrycowe mierzą opór elektryczny w porowatym ośrodku. Zamiast gipsu wykorzystują one ziarnisty kwarc otoczony syntetyczną membraną i ochronną siatką ze stali nierdzewnej.

Zalety

W porównaniu z blokami gipsowymi, granulowane czujniki matrycowe działają dłużej i sprawdzają się w wilgotniejszych warunkach glebowych. Wydajność można poprawić poprzez pomiar i kompensację zmian temperatury.

Wady

Pomiary są zależne od temperatury i mają niską dokładność. Ponadto, nawet przy dobrym kontakcie gleby z czujnikiem, granulowane czujniki matrycowe mają problemy z ponownym zwilżaniem po wyrównaniu do bardzo suchych warunków, ponieważ woda ma zmniejszoną zdolność przedostawania się do gruboziarnistego ośrodka granulowanej matrycy z drobnoziarnistej gleby. Zasięg jest ograniczony na mokrym końcu przez potencjał wnikania powietrza do matrycy. Granulowane czujniki matrycowe mogą rozpocząć pomiar zawartości/potencjału wody dopiero wtedy, gdy największe pory w matrycy zaczną się osuszać. Ponadto czujniki te wykorzystują granulat gipsowy, który rozpuszcza się z czasem, zapewniając słabą stabilność długoterminową.

Czujniki na bazie ceramiki

Czujniki ceramiczne wykorzystują ceramiczny dysk jako porowate medium. Jakość czujnika zależy od specyficznych właściwości ceramiki.

Dokładność jest ograniczona przez fakt, że każda tarcza ma nieco unikalną charakterystykę wilgotności. Jednorodność materiału ceramicznego zapewnia większą dokładność, ale znacznie ogranicza zakres. Indywidualna kalibracja każdego czujnika znacznie poprawia dokładność, ale jest czasochłonna. Najnowsze innowacje w technice kalibracji mogą oferować lepsze opcje kalibracji komercyjnej.

Zasięg jest ograniczony na mokrym końcu przez potencjał wnikania powietrza do ceramiki. Czujniki ceramiczne mogą zacząć mierzyć zawartość/potencjał wody dopiero wtedy, gdy największe pory w ceramice zaczną wysychać. Po stronie suchej zasięg jest ograniczony przez całkowitą porowatość zawartą w małych porach, które opróżniają się przy niskim potencjale wody.

Dwa rodzaje:

Czujnik rozpraszania ciepła

Czujnik rozpraszania ciepła mierzy zawartość wilgoci w ceramice poprzez pomiar jej przewodności cieplnej. Używając ceramicznego cylindra zawierającego grzałkę i termoparę, mierzy temperaturę wyjściową, podgrzewa przez kilka sekund, a następnie mierzy zmianę temperatury. Wykres zmiany temperatury w funkcji czasu logarytmicznego określa zawartość wilgoci w ceramice. Zawartość wilgoci jest przekładana na potencjał wody przy użyciu charakterystyki wilgotności ceramicznego dysku. Należy pamiętać, że ponieważ czujnik jest podgrzewany, musi być zasilany przez system z dużymi rezerwami mocy (np. rejestrator danych Campbell Scientific lub jego odpowiednik).

Dokładność

O ile nie zostanie indywidualnie skalibrowany, czujnik rozpraszania ciepła ma tylko umiarkowaną dokładność.

Zasięg

Na bardzo suchym końcu występuje duża czułość krzywej przewodności cieplnej, co daje czujnikom rozpraszania ciepła rozszerzoną użyteczność w zakresie suchym (-1 do -50 mPa). Na mokrym końcu czujnik rozpraszania ciepła jest ograniczony przez potencjał wnikania powietrza do ceramiki.

Dielektryczny czujnik potencjału macierzy

Dielektryczne czujniki potencjału matrycowego mierzą zdolność gromadzenia ładunku przez dysk ceramiczny w celu określenia jego zawartości wody. Następnie wykorzystują charakterystykę wilgotności tarczy do przeliczenia zawartości wody na potencjał wody.

Ponieważ wykorzystują one technikę dielektryczną, czujniki te są bardzo czułe na niewielkie zmiany w wodzie. Podobnie jak wszystkie czujniki ceramiczne, czujniki potencjału matrycowego wymagają niestandardowej kalibracji w celu uzyskania dobrej dokładności.

Zalety

Dielektryczne czujniki potencjału matrycowego charakteryzują się niskim poborem mocy i nie wymagają konserwacji.

Wady

Bez kalibracji czujniki mają dokładność zaledwie ±40% odczytu. Jednak najnowsza, niestandardowo skalibrowana wersja czujnika zapewnia dokładność ±10% odczytu.

Więcej informacji na temat pomiaru potencjału wody

1. Gee, Glendon W., Anderson L. Ward, Z. F. Zhang, Gaylon S. Campbell i J. Mathison. "Wpływ braku równowagi hydraulicznej na dane z płyty naciskowej". Vadose Zone Journal 1, nr 1 (2002): 172-178.
2. Cresswell, H. P., T. W. Green i N. J. McKenzie. "Adekwatność aparatu płyty dociskowej do określania retencji wody w glebie". Soil Science Society of America Journal 72, nr 1 (2008): 41-49.
3. Bittelli, Marco i Markus Flury. "Błędy w krzywych retencji wody wyznaczonych za pomocą płyt dociskowych". Soil Science Society of America Journal 73, no. 5 (2009): 1453-1460.
4. Baker, Rafael i Sam Frydman. "Mechanika gruntów nienasyconych: Krytyczny przegląd fundamentów fizycznych". Geologia Inżynierska 106, nr 1 (2009): 26-39. Link do artykułu.
5. Deka, R. N., M. Wairiu, P. W. Mtakwa, C. E. Mullins, E. M. Veenendaal i J. Townend. "Zastosowanie i dokładność techniki bibuły filtracyjnej do pomiaru potencjału glebowego". European Journal of Soil Science 46, nr 2 (1995): 233-238. Link do artykułu.

Obserwuj potencjał wody 301

Leo Rivera uczy umiejętności potrzebnych do stworzenia krzywej charakterystyki wodno-gruntowej z danymi tensjometru mokrego końca (HYPROP) i dane suchego punktu rosy (WP4C), które faktycznie pasują do siebie w środku.

Techniki te potencjalnie umożliwiają badaczom wykraczanie poza specyfikacje ich przyrządów. Dowiedz się więcej o kwestiach związanych z tymi pomiarami, w tym o wpływie histerezy i zmianach w metodach przygotowania próbek wymaganych przy przejściu do zakresu mokrego.

POTENCJAŁ WODY W DZIAŁANIU

Krzywe uwalniania wilgoci z gleby

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.

Co to jest krzywa uwalniania wilgoci z gleby?

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 faktyczny skład struktury porów, a zmienne te będą się różnić w zależności od miejsca i gleby.

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. 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 1 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.

Skąd pochodzą dane dotyczące krzywej uwalniania wilgoci?

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

Jak korzystać z krzywej uwalniania wilgoci z gleby

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 10 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 11 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 12 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.

ZENTRA upraszcza wszystko

Po uzyskaniu informacji z krzywej zwalniania, 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 (pobierz demonstrację na żywo) i są one wyświetlane jako zacieniony pas nałożony 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

Krzywe laboratoryjne - teraz łatwiejsze niż kiedykolwiek

15-20 lat temu uzyskanie pełnej, szczegółowej krzywej uwalniania wilgoci z gleby w laboratorium zajmowało miesiące, ale od tego czasu przeszliśmy długą drogę. Dlaczego?

Krzywe uwalniania wilgoci zawsze miały dwa słabe obszary: zakres ograniczonych danych między 0 a -100 kPa oraz lukę od -100 kPa do -1000 kPa, gdzie żaden przyrząd nie mógł dokonać dokładnych pomiarów. Pomiędzy 0 a -100 kPa gleba traci połowę lub więcej swojej zawartości wody. Użycie płyt dociskowych do utworzenia punktów danych dla tej części krzywej uwalniania wilgoci oznaczało, że krzywa opierała się tylko na pięciu punktach danych.

A potem jest przepaść. Najniższe odczyty tensjometru odcięły się przy -0,085 MPa, podczas gdy historycznie najwyższy zakres miernika potencjału wody WP4 ledwo osiągnął -1 MPa. To pozostawiło dziurę w krzywej w samym środku zakresu dostępnego dla roślin.

W 2008 roku firma METER Group AG w Niemczech wypuściła na rynek urządzenie HYPROP, zdolne do generowania ponad 100 punktów danych w zakresie od 0 do -0,1 MPa. Rozwiązało to problem rozdzielczości, dostarczając ponad 20 razy więcej danych za tą częścią krzywej.

W 2010 roku firma METER Group wypuściła na rynek przeprojektowany miernik potencjału wody WP4C . Znaczący wzrost dokładności i zakresu pozwala teraz WP4C na dokonywanie dobrych odczytów aż do zakresu tensjometru. Używanie HYPROP z przeprojektowanym WP4Cwykwalifikowany eksperymentator może teraz tworzyć kompletne krzywe uwalniania wilgoci o wysokiej rozdzielczości. Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat tworzenia pełnych krzywych uwalniania wilgoci z gleby w laboratorium, zapoznaj się z naszym Przewodnikiem po aplikacji krzywej uwalniania wilgoci.

Czekaj, to nie wszystko

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.

Chcesz dowiedzieć się, jak krzywe uwalniania wilgoci z gleby mogą być wykorzystane w Twoim zastosowaniu? Skontaktuj się z nami - nasi gleboznawcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu naukowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera. Lub obejrzyj nasze webinarium dotyczące krzywej uwalniania wilgoci z gleby: Wilgotność gleby 201: Krzywe uwalniania wilgoci - ujawnione.

POTENCJAŁ WODY: TROCHĘ HISTORII

Zrozumienie nienasyconego przepływu wody w glebie

Na przełomie ubiegłego stulecia Biuro Gleb USDA (BOS) zatrudniło kilku fizyków do rozwiązywania skomplikowanych problemów w rolnictwie. Jednym z nich był Edgar Buckingham. Kiedy Buckingham przybył do Biura Gleb w 1902 roku, był już autorem tekstu na temat termodynamiki. Jego pierwsze eksperymenty w BOS dotyczyły transportu gazu w glebie, ale ostatecznie zajął się problemem nienasyconego przepływu wody w glebie i to właśnie tutaj wniósł swój największy wkład w fizykę gleby.

Jako fizyk klasyczny, Buckingham wykorzystał matematykę do zbadania tajemnic i niejasności związanych z przepływem wody w glebie. Zdając sobie sprawę, że zawartość wody nie napędza przepływu w nienasyconej glebie, wyzwaniem Buckinghama było opisanie sił, które to robią. Był on naturalnie zaznajomiony z elektrycznymi i termicznymi polami sił oraz strumieniem, który one tworzyły. Koncepcje te były wygodnymi analogami dla siły napędowej tworzonej w glebie przez gradienty tego, co nazwał "przewodnością kapilarną". Buckingham wykorzystał prawa Ohma i Fouriera do opisania tego strumienia.

1902: Edgar Buckingham rozpoczyna pracę w Biurze Gleb. Jego doświadczenie w dziedzinie termodynamiki pomogło stworzyć początek naszego rozumienia nienasyconego przepływu wody w glebach.

1930s: L.A. Richards opracowuje płytkę dociskową, jeden z pierwszych instrumentów zdolnych do skutecznego pomiaru "przewodności kapilarnej".

1940s: L.A. Richards i John Monteith publikują artykuły opisujące sposób wykorzystania psychrometrów termoparowych do pomiaru potencjału wody w próbkach gleby.

1951: D.C. Spanner jako pierwszy z powodzeniem demonstruje zastosowanie psychrometru termoparowego do pomiaru potencjału wody w glebie.

1983: METER wprowadza pierwszy dostępny na rynku psychrometr termoparowy (SC-10, później znany jako TruPsi).

Pomiar potencjału wody w laboratorium

Chociaż Edgar Buckingham opisał i zademonstrował "przewodnictwo kapilarne" w 1907 roku, był daleki od możliwości jego skutecznego pomiaru. Pierwszym instrumentem, który tego dokonał, była płyta dociskowa stworzona przez L.A. Richardsa w latach trzydziestych XX wieku. Płyta dociskowa nie mierzy potencjału wody w próbce. Zamiast tego doprowadza próbkę do określonego potencjału wody. Urządzenie wywiera nacisk, aby wypchnąć wodę z próbki do porowatej płytki ceramicznej. Gdy próbka osiągnie równowagę, jej potencjał wody będzie teoretycznie równoważny zastosowanemu ciśnieniu.

Gdy próbki gleby osiągną określony potencjał wody pod ciśnieniem, badacz może zmierzyć skorelowaną zawartość wody. Charakterystykę wilgotności gleby można uzyskać, wykonując te pomiary przy różnych ciśnieniach.

Metody parowe

Ponad dziesięć lat po wprowadzeniu płyty dociskowej, L. A. Richards w USA i John Monteith w Wielkiej Brytanii opublikowali artykuły opisujące, w jaki sposób psychrometr termoparowy może być wykorzystywany do pomiaru potencjału wodnego próbek gleby poprzez równoważenie próbki parą w zamkniętej komorze i pomiar wilgotności względnej pary. W stanie równowagi wilgotność względna pary jest bezpośrednio związana z potencjałem wodnym próbki.

Termin psychrometr, ukuty w 1818 roku przez niemieckiego wynalazcę Ernsta Ferdinanda Augusta (1795-1870), oznacza po grecku "miernik zimna". Psychrometr składa się z dwóch identycznych termometrów. Jeden z nich (termometr suchy) jest suchy, podczas gdy drugi (termometr mokry) jest nasycony. Różnica temperatur między temperaturą termometru mokrego i suchego może być wykorzystana do obliczenia wilgotności względnej powietrza.

Psychrometry termoparowe

Pierwsze psychrometry używane do pomiaru wilgotności względnej nad próbką gleby były z konieczności dość małe. Dwa termometry były wykonane z małych, delikatnych termopar. Termopara to czujnik temperatury wykonany z dwóch różnych przewodników połączonych w jednym miejscu. Termopara przekształca gradient temperatury w energię elektryczną, którą można zmierzyć w celu określenia zmian temperatury.

Psychrometry termoparowe zostały po raz pierwszy z powodzeniem wykorzystane do pomiaru potencjału wody przez D.C. Spannera przed 1951 rokiem, ale był to trudny pomiar. Aby uzyskać pożądane wyniki, Spanner musiał wykonać własny drut z antymonu bizmutu - według Johna Monteitha, okap w Rothamsted nosił ślady tych eksperymentów przez wiele lat.

Innym trudno było powtórzyć jego pomiary. Próbki potrzebowały nawet tygodnia, aby się zrównoważyć, a następnie kruche termopary często odczytywały tylko jedną próbkę, zanim zostały uszkodzone. Mimo to, w 1961 roku Richards wyraźnie postrzegał metody parowe jako przyszłość pomiarów potencjału wody (Richards i Ogata, 1961).

Decagon (obecnie METER) wprowadził swój pierwszy komercyjny psychrometr termoparowy (SC-10 Thermocouple Psychrometer Sample Changer, później TruPsi) w 1983 roku. Przyrząd ten wykorzystywał delikatną termoparę, ale chronił ją w szczelnej obudowie. Dziewięć próbek było jednocześnie równoważonych i obracanych pod termoparą w celu dokonania pomiaru.

Przed każdym pomiarem termopara zanurzana była w niewielkim zbiorniku z wodą. Wyjście elektryczne termopary było wysyłane do nanowoltomierza, który musiał być monitorowany w celu określenia, kiedy temperatura przestała się zmieniać.

Mierniki potencjału wody w punkcie rosy

Pod koniec lat 90-tych firma Decagon (obecnie METER) rozpoczęła produkcję potencjometru punktu rosy WP4C , ulepszonej metody pomiaru potencjału wody za pomocą ciśnienia pary. Podobnie jak psychrometr, mierzy on ciśnienie pary nad próbką zamkniętą w komorze. Oba instrumenty są podstawowymi metodami opartymi na zasadach termodynamicznych.

W przeciwieństwie do psychrometru, potencjometr punktu rosy wykorzystuje czujnik punktu rosy z chłodzonym lustrem. Małe lustro w komorze jest schładzane do momentu, aż zacznie się na nim tworzyć rosa. W punkcie rosy, WP4C mierzy zarówno temperaturę lustra, jak i próbki z dokładnością do 0,001 °C, aby określić wilgotność względną pary wodnej nad próbką. Potencjał wody próbki jest liniowo powiązany z różnicą między temperaturą próbki a temperaturą punktu rosy.

Czujnik punktu rosy ma kilka zalet. Jest szybszy i zapewnia dokładne pomiary, nawet jeśli operator jest stosunkowo niewykwalifikowany. Ponadto czujnik z chłodzonym lustrem nie wymaga dodawania wody, a zatem nie zwiększa zawartości wody w parze nad próbką.

Zaletą tego pomiaru jest to, że jest to podstawowa metoda określania potencjału wody oparta na zasadach termodynamicznych, a nie na kalibracji.

Najnowsza wersja tego przyrządu może mierzyć temperaturę z dokładnością do tysięcznych części stopnia, umożliwiając pomiar próbek o wilgotności do -0,5 MPa z doskonałą dokładnością.

Pytania?

Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.

• Porozmawiaj z ekspertem
• Poproś o wycenę
• Pobierz kompletny przewodnik po zarządzaniu nawadnianiem