DR. GAYLON S. CAMPBELL

Woda dostępna dla roślin w prosty sposób

Zarówno ilość, jak i dostępność wody (woda dostępna dla roślin) w glebie jest ważna dla korzeni roślin i organizmów żyjących w glebie. Aby opisać ilość wody w glebie, używamy terminu zawartość wody. Aby opisać wodę dostępną dla roślin, mówimy o potencjale wody (ssanie gleby). W termodynamice zawartość wody byłaby określana jako zmienna ekstensywna, a potencjał wody jako zmienna intensywna. Obie są potrzebne do prawidłowego opisania stanu wody w glebie i roślinach. Oprócz opisania stanu wody w glebie, konieczne może być również ustalenie, jak szybko woda będzie się poruszać w glebie. W tym celu musimy znać przewodność hydrauliczną. Innymi ważnymi parametrami gleby są całkowita przestrzeń porów, górna granica odprowadzanej wody glebowej i dolna granica dostępnej wody w glebie. Ponieważ właściwości te różnią się znacznie w zależności od gleby, pomocne byłoby ustalenie korelacji między tymi bardzo przydatnymi parametrami a łatwymi do zmierzenia właściwościami, takimi jak tekstura gleby i gęstość nasypowa. Niniejszy artykuł przedstawi informacje potrzebne do prostych modeli procesów wodnych w glebie.

Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po potencjale wodnym", aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat wody dostępnej dla roślin.

Zawartość wody i gęstość nasypowa

Ilość wody w glebie jest określana jako zawartość wody. Można ją opisać na podstawie masy lub objętości. Masowa zawartość wody to masa wody utraconej z próbki gleby po jej wysuszeniu w temperaturze 105 °C, podzielona przez masę suchej gleby. Definicja ta jest przydatna do określania zawartości wody w laboratorium, ale nie jest szczególnie przydatna do opisywania ilości wody w terenie. W tym przypadku bardziej przydatna jest objętościowa zawartość wody. Jest to objętość wody na jednostkę objętości gleby. Jeśli w jest masową zawartością wody, a θ jest objętościową zawartością wody, wówczas

gdzie _ρb i _ρw oznaczają gęstość nasypową i gęstość wody. Gęstość nasypowa gleby to masa suchej gleby podzielona przez jej objętość. Gęstość wody wynosi 1 ^Mg/m3. W glebach mineralnych gęstość nasypowa ma zazwyczaj wartość od 1,1 do 1,7 ^Mg/m3. Objętościowa zawartość wody jest zatem zazwyczaj większa niż masowa zawartość wody. Można myśleć o θ jako o ułamku objętości gleby pochłoniętym przez wodę. Frakcję pochłoniętą przez ciała stałe można obliczyć na podstawie gęstości nasypowej

gdzie _ρs to gęstość cząstek stałych gleby. Zazwyczaj ma ona wartość około 2,65 ^Mg/m3. Całkowita przestrzeń porów w glebie wynosi 1 - _fs. Gdy gleba jest całkowicie nasycona wodą, jej zawartość wody to zawartość wody nasyconej, _ρs. Można ją obliczyć na podstawie gęstości nasypowej jako

Potencjał wodny informuje o dostępnej dla roślin wodzie

Cała woda zatrzymana w glebie nie jest w równym stopniu dostępna dla roślin, drobnoustrojów i owadów. Jednym ze sposobów określenia ilości wody dostępnej dla roślin jest pomiar potencjału wody. Potencjał wody to energia potencjalna na jednostkę masy wody. Woda w glebie jest utrzymywana przez siły adhezji do matrycy gleby, podlega przyciąganiu grawitacyjnemu i zawiera substancje rozpuszczone, które obniżają jej energię w porównaniu z energią czystej, wolnej wody. Organizmy żywe muszą zatem zużywać energię, aby usunąć wodę z gleby. Potencjał wody jest miarą energii na jednostkę masy wody, która jest wymagana do usunięcia nieskończenie małej ilości wody z gleby i przetransportowania jej do referencyjnej puli czystej, wolnej wody. Ponieważ do usunięcia wody zwykle wymagana jest energia, potencjał wody jest zwykle wielkością ujemną. W przypadku energii potencjalnej na jednostkę masy, jednostką potencjału wody jest J/kg. Energia na jednostkę objętości to ^J/m3, N/m lub Pa. Zdecydowanie preferujemy J/kg, ale często spotyka się potencjał wody podawany w kPa lub MPa. Jeden J/kg jest liczbowo prawie równy 1 kPa.

Podczas gdy na potencjał wody wpływa wiele czynników, najważniejszym w kontekście biologicznym jest zwykle potencjał matrycowy. Powstaje on z powodu przyciągania wody przez matrycę gleby i dlatego jest silnie zależny od właściwości matrycy i ilości wody w matrycy. Obejrzyj film, aby zobaczyć, jak to działa.

Rysunek 1 przedstawia typowe krzywe uwalniania wilgoci lub charakterystyki wilgotności dla gleb piaszczystych, ilastych i gliniastych. Gliny, ze względu na mniejsze rozmiary porów i większą powierzchnię cząstek, obniżają potencjał wody bardziej przy danej zawartości wody niż piaski i gleby gliniaste. Charakterystyki wilgotności, takie jak te na rysunku 1, są liniowe, gdy logarytm potencjału wody jest wykreślany jako funkcja logarytmu zawartości wody. Równanie opisujące te krzywe to

gdzie _ψm jest potencjałem matrycowym, θ jest objętościową zawartością wody, _ψe jest nazywane potencjałem wnikania powietrza do gleby, a b jest stałą. Potencjał wnikania powietrza i zawartość wody nasyconej są czasami łączone w jedną stałą, a, co daje

więc

Potencjał wnikania powietrza i wartość b zależą od tekstury i struktury gleby. Teksturę gleby można określić za pomocą nazwy klasy teksturalnej, takiej jak glina pylasta lub drobna glina piaszczysta, jako frakcje piasku, mułu i gliny lub jako średnią średnicę cząstek i odchylenie standardowe średnic cząstek. Te ostatnie są najbardziej przydatne do określania właściwości hydraulicznych. Jako miarę struktury gleby wykorzystamy gęstość nasypową lub całkowitą przestrzeń porów.

Shiozawa i Campbell (1991) podają następujące zależności do przeliczania pomiarów frakcji iłu i gliny na średnią geometryczną średnicę cząstek i odchylenie standardowe

oraz

gdzie _mt i _my są frakcjami mułu i gliny w próbce, _dg jest średnią geometryczną średnicą cząstek w µm, a _σg jest geometrycznym odchyleniem standardowym.

Właściwości hydrauliczne i tekstura gleby

Zależności między właściwościami hydraulicznymi a teksturą i strukturą gleby są obecnie dość niepewne, mimo że przeprowadzono wiele badań w tej dziedzinie. Poniżej przedstawiono równania wyprowadzone częściowo z teorii, a częściowo z empirycznego dopasowania zestawów danych z wielu lokalizacji. Zależność potencjału wnikania powietrza od tekstury i gęstości nasypowej można obliczyć z następujących wzorów

gdzie _θs pochodzi z równania 3, a _dg z równania 6.

Wykładnik b można oszacować na podstawie

Tabela 1 zawiera listę dwunastu klas tekstury gleb i podaje przybliżone frakcje iłu i gliny dla środka każdej klasy. Następnie pokazuje wartości _dg, _σg, _ψe i b dla każdej klasy.

Pojemność polowa i stały punkt więdnięcia

Woda szybko przemieszcza się przez glebę przy wysokiej zawartości wody, głównie z powodu przyciągania grawitacyjnego w dół i wysokiej przewodności hydraulicznej prawie nasyconej gleby. Jednak w miarę odpływu wody z gleby przewodność hydrauliczna gwałtownie spada, a tempo ruchu spada. Ruch wody w dół pod wpływem grawitacji staje się bardzo mały przy potencjałach wody od -10 do -33 J/kg. Woda o potencjale poniżej tych wartości jest zatem zatrzymywana w strefie korzeniowej i jest dostępna do pobrania przez rośliny (woda dostępna dla roślin). Zawartość wody, gdy potencjał macierzysty wynosi od -10 do -33 J/kg (-10 dla piasków; -33 dla glin), to polowa pojemność wodna(_θfc) lub górna granica drenażu. Jest to zawartość wody, której można by się spodziewać, gdyby profil gleby został zmoczony przez ulewny deszcz lub nawadnianie, przykryty i pozostawiony na dwa lub trzy dni. Innymi słowy, jest to najwyższa zawartość wody, jaką zwykle można znaleźć w glebie polowej, z wyjątkiem sytuacji, gdy woda zostanie dodana.

Wartości zawartości wody przy -33 J/kg zostały obliczone przy użyciu równania 4 dla każdej z tekstur, przy założeniu ρs ₌ 0,5, i są pokazane w tabeli 1.

Należy zauważyć, że piaski osuszają się do zaledwie kilku procent wilgotności przy pojemności polowej, podczas gdy gleby o drobniejszej teksturze mogą mieć zawartość wody powyżej 0,3 ^m3m-3. Jednak wszystkie zawartości wody w terenie są znacznie poniżej poziomu nasycenia. Wartości przedstawione w tabeli mogą wymagać dostosowania w celu odzwierciedlenia tego, co można znaleźć w terenie, ponieważ gęstość nasypowa jest zwykle zależna od tekstury. Piaski mają zwykle wysoką gęstość nasypową (1,6 Mg/m), podczas gdy gleby o drobniejszej teksturze mają zwykle niższą gęstość nasypową. Punkt trwałego więdnięcia (PWP) nie oznacza, że roślina jest zabijana przez potencjał wody w tym zakresie. Oznacza to, że roślina nie zregeneruje się po więdnięciu, jeśli nie zostanie jej dostarczona woda. Wiele gatunków jest w stanie pobierać wodę z gleby do potencjałów wody znacznie poniżej -1500 J/kg, a szybkie pobieranie wody z gleby sprawi, że woda będzie niedostępna dla rośliny, która jest utrzymywana przy potencjałach znacznie powyżej -1500 J/kg. Wartość ta zapewnia jednak przybliżoną dolną granicę zawartości wody w glebie, z której rośliny pobierają wodę. Wartości _θpwp są również pokazane w tabeli 1 dla θs₌ 0,5.

Woda dostępna dla roślin jest definiowana jako woda zatrzymana w glebie między pojemnością pola a trwałym więdnięciem. Wartości te przedstawiono również w tabeli 1. Wartości te są niskie dla gleb o gruboziarnistej strukturze, ale wydają się być dość jednolite dla innych tekstur gleby, mimo że wartości pojemności polowej i punktu trwałego więdnięcia różnią się znacznie. Należy jednak zachować ostrożność przy korzystaniu z wartości podanych w tabeli.

Przewidywanie trwałego punktu więdnięcia na podstawie pojemności pola

Ponieważ zarówno pojemność polową, jak i punkt trwałego więdnięcia można obliczyć na podstawie podstawowych parametrów gleby, zrozumiałe jest, że będą one skorelowane. Rysunek 2 przedstawia zawartość wody w stanie trwałego więdnięcia dla wszystkich dwunastu klas tekstur wykreślonych jako funkcja zawartości wody w pojemności polowej. Korelacja jest dobra, a dane są dobrze dopasowane do wielomianu drugiego rzędu. Praktycznym wynikiem tego jest to, że wystarczy znać jedną lub drugą z tych zmiennych, a drugą można znaleźć na podstawie związku między nimi.

Uzyskiwanie właściwości hydraulicznych z danych geodezyjnych gleby

Wartości -33 i -1500 J/kg (1/3 i 15 barów) zawartości wody są często dostępne z danych pomiarowych gleby. Jeśli są one znane, możemy znaleźć a i b w równaniu 5.5. Biorąc logarytmy z obu stron równania 5.5, otrzymujemy ln ψm ₌ ln a-b ln θ. Podstawiając _θfc = 33 i _θpwp = 1500 i odpowiadające im zawartości wody (używaj liczb dodatnich dla _ψm, gdy bierzesz logarytmy; nie możesz wziąć logarytmu z liczby ujemnej), otrzymujesz dwa równania w dwóch niewiadomych, b i a, które możesz rozwiązać jednocześnie, aby uzyskać dwa parametry

Upewnij się, że wartości _θfc i _θpwp, których używasz, to objętościowa zawartość wody. Większość danych laboratoryjnych to masowe zawartości wody, ponieważ są one mierzone przy użyciu suszenia w piecu. Jeśli są to masowe zawartości wody, należy je przekonwertować na objętościowe zawartości wody przy użyciu gęstości nasypowej i równania 1 przed użyciem ich do obliczenia a i b. Czasami wystarczy oszacować dostępną zawartość wody w glebie. W takim przypadku możemy oszacować b wystarczająco dokładnie, aby nadal znaleźć wartość dla a. Niech _θav = _θfc - _θpwp, będzie dostępną zawartością wody (woda dostępna dla roślin) dla gleby. Możemy zmienić równanie 5, aby otrzymać

Jeśli nie mamy innych informacji, które wskazywałyby wartość b, przyjmiemy wartość 5. Daje to a = _637θ5av. Znając wartości a i b, możemy użyć równania 5, aby znaleźć _θfc i _θpwp. Szacunkowa zawartość wody w powietrzu, której będziemy potrzebować w modelach parowania z powierzchni gleby, jest szacowana na podstawie

Pomiar wszystkich parametrów potrzebnych do modelowania wody dostępnej dla roślin

Zarówno zawartość wody, jak i potencjał wodny mogą być mierzone w sposób ciągły i łatwy za pomocą czujników glebowych METER. Czujnik WP4C mierzy potencjał wody w laboratorium i może być używany do przewidywania stałego punktu więdnięcia. METER oferuje również szereg innych przyrządów do badań terenowych i laboratoryjnych, które mierzą przewodność hydrauliczną i teksturę gleby. Obejrzyj film, aby zobaczyć, jak nasze instrumenty laboratoryjne współpracują ze sobą w celu scharakteryzowania właściwości hydraulicznych gleby.

Pytania?

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

• Porozmawiaj z ekspertem
• Poproś o wycenę

Poznaj podstawy wody dostępnej dla roślin

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:

• Dlaczego wilgotność gleby to coś więcej niż tylko ilość
• Zawartość wody: czym jest, jak się ją mierzy i dlaczego jest potrzebna
• Potencjał wody: czym jest, czym różni się od zawartości wody i dlaczego jest potrzebny
• Czy należy mierzyć zawartość wody, potencjał wodny czy oba te czynniki?
• Które czujniki mierzą poszczególne typy parametrów

Referencje

1. Campbell, Gaylon S. Fizyka gleby z BASIC: modele transportu dla systemów gleba-roślina. Vol. 14. Elsevier, 1985. Link do książki.

2. Shiozawa, S. i G. S. Campbell. "On the calculation of mean particle diameter and standard deviation from sand, silt, and clay fractions." Soil Science 152, nr 6 (1991): 427-431. Link do artykułu.

Pełny obraz sytuacji

Dowiedz się wszystkiego, co musisz wiedzieć o pomiarze wilgotności gleby - wszystko w jednym miejscu: dlaczego jest to potrzebne, jak to zmierzyć, porównanie metod/czujników, ile pomiarów, gdzie należy mierzyć, najlepsze praktyki, rozwiązywanie problemów z danymi i nie tylko.

Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po wilgotności gleby"

Weź udział w naszej klasie mistrzowskiej dotyczącej wilgotności gleby

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.

Obejrzyj teraz