Zasadniczo istnieją tylko dwie podstawowe metody pomiaru potencjału wody (ssania gleby)- tensjometry i 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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).
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.
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.
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 produkuje 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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bloki gipsowe są niezwykle tanie i dość łatwe w użyciu.
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.
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.
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.
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 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.
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).
O ile nie zostanie indywidualnie skalibrowany, czujnik rozpraszania ciepła ma tylko umiarkowaną dokładność.
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.
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.
Dielektryczne czujniki potencjału matrycowego charakteryzują się niskim poborem mocy i nie wymagają konserwacji.
Bez kalibracji czujniki mają dokładność zaledwie ±40% odczytu. Jednak najnowsza, niestandardowo skalibrowana wersja czujnika zapewnia dokładność ±10% odczytu.
Webinarium dr Colina Campbella 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.
Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po potencjale wody".
Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.
Sześć krótkich filmów wideo nauczy Cię wszystkiego, co musisz wiedzieć o zawartości wody w glebie i potencjale wodnym gleby - i dlaczego powinieneś mierzyć je razem. Ponadto opanuj podstawy przewodnictwa hydraulicznego gleby.
Zrozumienie różnych składników potencjału wody i sposobu ich wykorzystania. Potencjał wody to energia wymagana na ilość wody do przetransportowania nieskończenie małej ilości wody z próbki do referencyjnej puli czystej, wolnej wody.
Dr Gaylon Campbell, światowej sławy fizyk gleby, uczy tego, co trzeba wiedzieć o prostych modelach procesów wodnych w glebie.
Kompleksowe spojrzenie na naukę stojącą za pomiarem potencjału wody.
Regularne otrzymywanie najnowszych treści.
