WSPÓŁTWÓRCY

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 związek między potencjałem wody (ssaniem gleby) a objętościową zawartością wody, który 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 1 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.

Zmienne ekstensywne vs. zmienne intensywne

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.

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 2 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). Ale potencjał wody w glebie, intensywna zmienna, przewiduje dostępność i ruch wody. W jaki sposób?

Woda dostępna dla roślin: Pomiary potencjału wodnego wyraźnie wskazują dostępną dla roślin wodę i w przeciwieństwie do zawartości wody, istnieje łatwa skala odniesienia - optymalny poziom dla roślin wynosi od około -2-5 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.

Ruch wody: Woda glebowa zawsze przemieszcza się od wysokiego potencjału wody do niskiego potencjału wody. Na przykład, jeśli potencjał wodny gleby wynosiłby -50 kPa, woda przemieszczałaby się w kierunku warstwy gleby o bardziej ujemnym potencjale -100 kPa.

Jest to również zbliżone do tego, co dzieje się w kontinuum atmosfery roślina-gleba. Na rysunku 4 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.

Dowiedz się więcej o zawartości wody

Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po potencjale wody"

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 przekazują 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 to łatwy w instalacji czujnik potencjału wodnego, a czujnik TEROS 32 to niewymagający konserwacji tensjometr, który również mierzy potencjał wodny.

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 5 poniżej, jeśli trzy poniższe gleby byłyby różnymi warstwami horyzontu glebowego przy 15% zawartości wody, woda w drobnym piasku gliniastym zaczęłaby przemieszczać się w kierunku warstwy drobnego piasku gliniastego, 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 6 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 7 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 uwalniania, rejestrator danych METER ZL6 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

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.

Krzywe uwalniania wilgoci w terenie? Tak, jest to możliwe.

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.

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. W poniższym filmie ekspert ds. wilgotności gleby Leo Rivera przedstawia bardziej szczegółowe informacje na temat tego, jak wykorzystać krzywą uwalniania wilgoci do analizy indywidualnych zachowań gleby w odniesieniu do wody.

Pełny obraz sytuacji

Wszystko, co musisz wiedzieć o pomiarze wilgotności gleby - w jednym miejscu.

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

Pytania?

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

• Porozmawiaj z ekspertem
• Poproś o wycenę