WSPÓŁTWÓRCY

Niezależnie od tego, czy jesteś studentem rozpoczynającym kampanię pomiarów środowiskowych, doświadczonym badaczem, czy hodowcą zajmującym się zarządzaniem nawadnianiem, w pewnym momencie prawdopodobnie zdałeś sobie sprawę, że musisz zmierzyć wilgotność gleby. Dlaczego? Ponieważ dostępność wody jest jednym z głównych czynników wpływających na produktywność ekosystemu, a wilgotność gle by (tj. zawartość wody w glebie / potencjał wody w glebie lub ssanie gleby) jest bezpośrednim źródłem wody dla większości roślin. Czym jest wilgotność gleby? Poniżej znajduje się kompleksowe spojrzenie na definicję wilgotności gleby i badanie niektórych ważnych terminów naukowych stosowanych w połączeniu z wilgotnością gleby.

Co w ogóle oznacza wilgotność gleby?

Wilgotność gleby to coś więcej niż tylko znajomość ilości wody w glebie. Istnieją podstawowe zasady, które należy znać przed podjęciem decyzji o sposobie pomiaru. Oto kilka pytań, które mogą pomóc skupić się na tym, co faktycznie próbujesz ustalić.

• Czy interesuje Cię woda zmagazynowana w glebie?
• Czy bardziej zależy Ci na wodzie dostępnej dla pierwotnej produktywności, aby zmaksymalizować produkcję, czy na zrozumieniu maksymalnej produkcji w Twojej lokalizacji?
• Czy badasz ruch wody i substancji rozpuszczonych w glebie?
• Czy dążysz do optymalizacji zużycia wody w uprawach?
• Czy modelujesz hydrologię gleby?

W zależności od tego, które z tych pytań Cię interesuje, wilgotność gleby może oznaczać coś zupełnie innego.

Dowiedz się, którą zmienną powinieneś mierzyć

Większość ludzi patrzy na wilgotność gleby tylko w kategoriach jednej zmiennej: zawartości wody w glebie. Jednak do opisania stanu wody w glebie wymagane są dwa rodzaje zmiennych: zawartość wody, która jest ilością wody i potencjał wody, który jest stanem energetycznym wody.

Zawartość wody w glebie jest bardzo zmienna. Zmienia się w zależności od wielkości i sytuacji. Definiuje się ją jako ilość wody na całkowitą jednostkę objętości lub masy. Zasadniczo jest to ilość wody w glebie.

Potencjał wody jest zmienną "intensywną", która opisuje intensywność lub jakość materii lub energii. Jest on często porównywany do temperatury. Podobnie jak temperatura wskazuje poziom komfortu człowieka, potencjał wody może wskazywać poziom komfortu rośliny. Potencjał wody to energia potencjalna na mol (jednostkę masy, objętości, wagi) wody w odniesieniu do czystej wody o zerowym potencjale. Potencjał wody można postrzegać jako pracę wymaganą do usunięcia niewielkiej ilości wody z gleby i umieszczenia jej w basenie z czystą, wolną wodą.

Dowiedz się więcej o zmiennych intensywnych i ekstensywnych

Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po potencjale wody"

Zawartość wody w glebie: To tylko ilość

W tym artykule krótko przeanalizowano dwie różne metody pomiaru zawartości wody w glebie: grawimetryczną zawartość wody i objętościową zawartość wody.

Grawimetryczna zawartość wody to masa wody na masę gleby (tj. gramy wody na gram gleby). Jest to podstawowa metoda pomiaru zawartości wody w glebie, ponieważ ilość wody w glebie jest mierzona bezpośrednio poprzez pomiar masy. Oblicza się ją poprzez zważenie mokrej gleby pobranej z pola, wysuszenie jej w piecu, a następnie zważenie suchej gleby.

Grawimetryczna zawartość wody jest równa masie mokrej gleby pomniejszonej o masę suchej gleby podzielonej przez masę suchej gleby. Innymi słowy, masa wody podzielona przez masę gleby.

Objętościowa zawartość wody to objętość wody przypadająca na całkowitą objętość gleby.

Wolumetryczna zawartość wody opisuje to samo, co grawimetryczna zawartość wody, z wyjątkiem tego, że jest podawana w oparciu o objętość.

Na przykład składniki znanej objętości gleby pokazano na rysunku 1. Suma wszystkich składników wynosi 100%. Ponieważ objętościowa zawartość wody (VWC) jest równa objętości wody podzielonej przez całkowitą objętość gleby, w tym przypadku VWC wyniesie 35%. VWC jest czasami podawana jako ^cm3/cm3 lub cale na stopę.

Grawimetryczne i VWC: powiązane gęstością nasypową

Grawimetryczną zawartość wody(w) można przeliczyć na objętościową zawartość wody(ϴ), mnożąc ją przez gęstość nasypową gleby w stanie suchym(⍴_b) (równanie 3).

Ponieważ grawimetryczna zawartość wody jest pierwszorzędną (lub bezpośrednią) metodą pomiaru ilości wody w glebie, jest ona wykorzystywana do opracowywania kalibracji i walidacji odczytów prawie wszystkich pomiarów VWC, które są wykrywane in situ lub zdalnie. Jeśli masz czujnik dielektryczny, masz pewną zależność, która przekształca to, co odczytujesz w polu elektromagnetycznym, w zawartość wody w glebie. Jeśli więc nie masz pewności, czy wolumetryczna zawartość wody jest prawidłowa, pobierz próbkę gleby, zmierz grawimetryczną zawartość wody, pobierz próbkę gęstości nasypowej i sprawdź sam.

Jak mierzyć objętościową zawartość wody

Większość pomiarów objętościowej zawartości wody jest wykonywana przy użyciu pewnego rodzaju czujników.Czujniki zawartości wody METER wykorzystują technologię pojemnościową. Aby dokonać pomiaru, czujniki te wykorzystują "polaryzację" wody. Jak to działa?

Rysunek 2 przedstawia cząsteczkę wody. Na górze znajduje się biegun ujemny z atomem tlenu, a na dole biegun dodatni z dwoma atomami wodoru. Gdybyśmy wprowadzili do gleby pole elektromagnetyczne (rysunek 3), ta cząsteczka wody zwróciłaby na siebie uwagę. Jeśli pole zostałoby odwrócone, zatańczyłaby w drugą stronę. W ten sposób, tworząc pole elektromagnetyczne z czujnikiem zawartości wody, można zmierzyć wpływ wody na to pole elektromagnetyczne. Jeśli w glebie jest więcej wody, efekt będzie większy. Więcej informacji na temat technologii pojemnościowej można znaleźć tutaj.

Dlaczego warto mierzyć zawartość wody w glebie za pomocą czujnika?

Korzystanie z czujnika zawartości wody w glebie otwiera możliwość tworzenia szeregów czasowych (rysunek 4), potężnego narzędzia wykorzystywanego do zrozumienia tego, co dzieje się w glebie. Pomiar grawimetrycznej zawartości wody wymaga pobrania próbki lub serii próbek i dostarczenia ich do laboratorium. Jeśli potrzebujesz serii czasowej, jest to niepraktyczne, ponieważ zasadniczo musiałbyś cały czas pobierać próbki w terenie.

Dzięki czujnikowi zawartości wody można automatycznie mierzyć czas zmian zawartości wody w glebie i porównywać głębokości w profilu. Kształty tych krzywych dostarczają ważnych informacji o tym, co dzieje się z wodą w glebie.

Tabela 1 porównuje różne metody wykrywania gleby.

Grawimetryczny pomiar zawartości wody jest dobrym pomiarem, ale jest czasochłonny, niszczący i daje jedynie migawkę w czasie. Czujniki zawartości wody w glebie zapewniają szereg czasowy, umożliwiają pomiar profilu w czasie i pozwalają uniknąć niszczącego pobierania próbek, chociaż czujnik jest nadal umieszczany w glebie. Teledetekcja zapewnia szeregi czasowe w ograniczonej skali, ale jest niezwykle skuteczna w próbkowaniu przestrzennym, co jest ważne przy pomiarze zawartości wody. Czujniki wilgotności gle by METER zmniejszają zakłócenia dzięki specjalistycznemunarzędziu instalacyjnemu , zaprojektowanemu w celu zminimalizowania zakłóceń na miejscu (obejrzyj film, aby zobaczyć, jak to działa).

Nasycenie: to nie to, co myślisz

Jeśli chodzi o objętościową zawartość wody, gleba sucha w piecu to z definicji 0% VWC. Jest to jeden zdefiniowany punkt końcowy. Czysta woda znajduje się na drugim końcu skali i wynosi 100%. Wiele osób uważa, że 100% VWC to w pełni nasycona gleba, ale tak nie jest. Każdy rodzaj gleby nasyca się przy różnej zawartości wody.

Jednym ze sposobów spojrzenia na to jest procent nasycenia:

% nasycenia = VWC/porowatość * 100

Znając porowatość danego typu gleby, można w przybliżeniu określić zawartość wody w stanie nasycenia. Jednak gleby rzadko osiągają nasycenie w terenie. Dlaczego?

Na rysunku 6 widać, że gdy gleba adsorbuje wodę, tworzy film wodny, który przylega do cząstek gleby. Istnieją również pory wypełnione powietrzem. W warunkach polowych trudno jest wyeliminować te przestrzenie powietrzne. To właśnie dlatego procent nasycenia rzadko będzie równy teoretycznemu maksimum nasycenia dla danego typu gleby.

Czym jest potencjał wody?

Potencjał wody to kolejna zmienna używana do opisu wilgotności gleby. Jak wspomniano wcześniej, jest on definiowany jako stan energetyczny gleby lub energia potencjalna na mol wody w odniesieniu do czystej wody o zerowym potencjale. Co to oznacza? Aby zrozumieć tę zasadę, porównaj wodę wpróbce gleby do wody w szklance. Woda w szklance jest względnie wolna i dostępna; woda w glebie jest związana z powierzchniami i może być rozcieńczona przez substancje rozpuszczone, a nawet pod ciśnieniem. W rezultacie woda w glebie ma inny stan energetyczny niż "wolna" woda. Wolna woda może być dostępna bez wywierania jakiejkolwiek energii. Woda glebowa może być wydobyta tylko poprzez wydatkowanie energii równej lub większej energii, z jaką jest utrzymywana. Potencjał wody wyraża ilość energii potrzebnej do wyciągnięcia wody z próbki gleby.

Potencjał wody jest sumą czterech różnych składników: potencjału grawitacyjnego + potencjału matric + potencjału ciśnienia + potencjału osmotycznego (równanie 3).

Potencjał matrykalny jest najważniejszym składnikiem gleby, ponieważ odnosi się do wody przylegającej do powierzchni gleby. Na rysunku 6 potencjał macierzowy jest tym, co stworzyło film wodny przylegający do cząstek gleby. Gdy woda odpływa z gleby, wypełnione powietrzem przestrzenie porów stają się większe, a woda staje się ściślej związana z cząstkami gleby, gdy potencjał macierzowy maleje. Obejrzyj poniższy film, aby zobaczyć potencjał matrykalny w akcji.

Gradient potencjału wody jest siłą napędową przepływu wody w glebie. Potencjał wody w glebie jest najlepszym wskaźnikiem wody dostępnej dla roślin(dowiedz się dlaczego tutaj). Podobnie jak w przypadku zawartości wody, potencjał wody można mierzyć za pomocą czujników zarówno w laboratorium, jak i w terenie. Oto kilka przykładów różnych typów terenowych czujników potencjału wody.

Potencjał wody przewiduje ruch wody

Woda będzie przemieszczać się z lokalizacji o wyższej energii do lokalizacji o niższej energii, aż lokalizacje osiągną równowagę, jak pokazano na rysunku 7. Na przykład, jeśli potencjał wody w glebie wynosiłby -50 kPa, woda przemieszczałaby się w kierunku bardziej ujemnego -100 kPa, aby stać się bardziej stabilna.

Jest to również zbliżone do tego, co dzieje się w kontinuum atmosfery gleby rośliny. Na rysunku 8 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.

Czym jest woda dostępna dla roślin?

Woda dostępna dla roślin to różnica w zawartości wody między pojemnością pola a punktem trwałego więdnięcia w glebie lub podłożu uprawowym (patrz definicje poniżej). Większość upraw doświadczy znacznej utraty plonów, jeśli gleba wyschnie nawet w pobliżu punktu trwałego więdnięcia. Aby zmaksymalizować plony, zawartość wody w glebie będzie zazwyczaj utrzymywana znacznie powyżej punktu trwałego więdnięcia, ale woda dostępna dla roślin jest nadal użyteczną koncepcją, ponieważ informuje o wielkości zbiornika wodnego w glebie. Posiadając podstawową wiedzę na temat rodzaju gleby, pojemność pola i punkt trwałego więdnięcia można oszacować na podstawie pomiarów wykonanych przez czujniki wilgotności gleby in situ . Czujniki te dostarczają ciągłych danych o zawartości wody w glebie, które mogą pomóc w podejmowaniu decyzji dotyczących zarządzania nawadnianiem w celu zwiększenia plonów i efektywności wykorzystania wody.

Co to jest pojemność pola?

Polowa pojemność wodna jest definiowana jako "zawartość wody w masie lub objętości pozostającej w glebie dwa lub trzy dni po zwilżeniu wodą i po tym, jak swobodny drenaż jest znikomy". Glosariusz terminów gleboznawczych. Soil Science Society of America, 1997. Często przyjmuje się, że jest to zawartość wody przy potencjale wodnym -33 kPa dla gleb o drobnej teksturze lub -10 kPa w glebach piaszczystych, ale są to tylko przybliżone punkty wyjścia. Rzeczywista pojemność polowa zależy od charakterystyki profilu glebowego. Należy ją określić na podstawie danych dotyczących zawartości wody monitorowanych w terenie. Jeśli patrzysz na dane dotyczące pojemności polowej, dobrze jest wiedzieć, w jaki sposób ten punkt został osiągnięty.

Pomimo tego, że zazwyczaj określamy pojemność polową w kategoriach potencjału wody, ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że jest to tak naprawdę właściwość przepływu. Woda przemieszcza się w dół profilu glebowego pod wpływem gradientu potencjału grawitacyjnego. Będzie poruszać się w dół w nieskończoność, ale gdy gleba wysycha, przewodność hydrauliczna gwałtownie spada, ostatecznie czyniąc przepływ w dół niewielkim w porównaniu ze stratami wynikającymi z parowania i transpiracji. Pomyśl o glebie jak o nieszczelnym wiadrze. Rośliny próbują złapać część wody, gdy przemieszcza się ona w dół przez strefę korzeniową.

Co to jest stały punkt więdnięcia?

Na przeciwległym końcu skali znajduje się punkt trwałego więdnięcia. Punkt trwałego więdnięcia został eksperymentalnie określony u słoneczników i zdefiniowany jako -15 barów (-1500 kPa, Briggs i Shantz, 1912, s. 9). Jest to potencjał gleby, przy którym słoneczniki więdną i nie są w stanie zregenerować się w ciągu nocy. Teoretycznie jest to pusty zbiornik, w którym następuje całkowita utrata ciśnienia turgorowego, a roślina więdnie. Ale -1500 kPa niekoniecznie jest punktem więdnięcia dla wszystkich roślin. Wiele roślin "więdnie" w różnych punktach; niektóre rośliny zaczynają chronić się przed trwałymi uszkodzeniami znacznie wcześniej niż -1500 kPa, a niektóre znacznie później. Tak więc -1500 kPa jest użytecznym punktem odniesienia w glebie, ale należy pamiętać, że kaktus prawdopodobnie nie dba o -1500 kPa, a sosna ponderosa z pewnością nie wyłączy się w tym punkcie. Może to więc oznaczać różne rzeczy dla różnych roślin lub upraw (czytaj więcej: M.B. Kirkham. Principles of Soil and Plant Water Relations, 2005, Elsevier).

Możesz szybko i łatwo określić stały punkt więdnięcia dowolnej gleby za pomocą METER WP4C.

Rodzaj gleby: soczewka, przez którą patrzysz

Aby wyciągnąć miarodajne wnioski na temat zawartości wody, trzeba wiedzieć coś o typie gleby.

Rysunek 9 przedstawia wykres najpopularniejszych klas tekstur, od piasku do gliny. Każda tekstura ma inny rozkład wielkości cząstek. Tabela 2 pokazuje, że przy -1500 kPa (punkt trwałego więdnięcia) każda klasa tekstury ma inną zawartość wody. To samo dotyczy pojemności pola.

Tabela 2. Reprezentatywna pojemność polowa i punkt trwałego więdnięcia dla różnych tekstur gleby

Tekstura	FC (v%)	PWP (v%)
Piasek	5	1
Piasek gliniasty	10	2
Glina piaszczysta	17	6
Glina piaszczysta	32	19
Glina	27	14
Sandy Clay	38	28
Glina pylasta	27	13
Muł	24	10
Glina ilasta	36	23
Glina pylasta	36	22
Glina pylasta	40	28
Glina	42	32

Co ciekawe, glina piaszczysto-gliniasta może mieć 32% VWC przy pojemności pola (co jest dobrze nawodnioną glebą), ale dla gliny 32% VWC jest w punkcie stałego więdnięcia. Oznacza to, że podczas instalowania czujników należy pobrać próbkę gleby, aby upewnić się, że znasz teksturę gleby i wiesz, co się w niej dzieje. Jest to szczególnie ważne, gdy występują zmiany w typie gleby: zmiany w profilu glebowym lub zmienność przestrzenna w zależności od miejsca. Należy pamiętać, że potencjał wody nie zmienia się wraz z sytuacją. Dla wszystkich tych typów gleby -33 kPa to -33 kPa, niezależnie od tego, czy jest to glina, czy piasek. Jeśli spojrzeć na glebę gliniasto-ilastą jako rodzaj gleby o średniej teksturze, jej zawartość wody -33 kPa wynosi 27%, a zawartość wody -1500 kPa wynosi 13%. Przy typowej gęstości nasypowej całkowita przestrzeń porów wynosi około 50%. Gdyby została ona wypełniona, gleba byłaby nasycona. Tak więc, zaczynając od nasycenia (zakładając, że pojemność polowa wynosi -33 kPa), połowa wody odpłynęłaby, aby osiągnąć pojemność polową. Około połowa pozostałej wody to woda dostępna dla roślin. Gdy roślina pobierze całą dostępną wodę, ilość wody w przybliżeniu równa ilości wody dostępnej dla rośliny nadal znajduje się w glebie, ale nie może zostać usunięta przez roślinę.

Urządzenie PARIO to urządzenie, które automatycznie określi rodzaj gleby i rozkład wielkości cząstek dla dowolnej gleby.

Krzywe retencji wody w glebie

Istnieje związek między potencjałem wody a objętościową zawartością wody, który można zilustrować za pomocą krzywej retencji wody w glebie (czasami nazywanej krzywą uwalniania wilgoci lub krzywą charakterystyki wody w glebie). Rysunek 10 przedstawia przykładowe krzywe dla trzech różnych gleb. Na osi x znajduje się potencjał wody w skali logarytmicznej, a na osi Y - objętościowa zawartość wody. Krzywe retencji wody w glebie są jak fizyczne odciski palców, unikalne dla każdej gleby. Wynika to z faktu, że zależność między potencjałem wodnym a zawartością wody w glebie jest inna dla każdej gleby. Dzięki tej zależności można dowiedzieć się, jak różne gleby będą zachowywać się w dowolnym miejscu krzywej. Można odpowiedzieć na kluczowe pytania, takie jak: czy woda szybko odpłynie z gleby, czy też zostanie zatrzymana w strefie korzeniowej? Krzywe retencji wody w glebie są potężnymi narzędziami wykorzystywanymi do przewidywania poboru wody przez rośliny, głębokiego drenażu, spływu i nie tylko. Dowiedz się więcej o tym, jak to działa tutaj lub obejrzyj Wilgotność gleby 201.

Urządzenie HYPROP to urządzenie, które automatycznie generuje krzywe retencji wody w glebie w zakresie wilgotnym. Można tworzyć krzywe retencji w całym zakresie wilgotności gleby, łącząc HYPROP i WP4C.

Wilgotność gleby: Czy potrzebna jest zawartość wody czy potencjał wody?

Przed rozpoczęciem kampanii pomiaru wilgotności gleby należy zadać sobie następujące pytania:

• Czy muszę wiedzieć, ile wody znajduje się w glebie?
• Czy muszę wiedzieć, w którą stronę popłynie woda?
• Czy muszę wiedzieć, czy moje rośliny mają dostęp do wody?
• Czy muszę wiedzieć, ile wody znajduje się w glebie dla moich roślin?
• Czy muszę wiedzieć, kiedy podlewać?

Jeśli chcesz wiedzieć, ile wody jest przechowywane w glebie, powinieneś skupić się na zawartości wody w glebie. Jeśli chcesz wiedzieć, gdzie woda będzie się przemieszczać, właściwym pomiarem jest potencjał wody. Aby zrozumieć, czy rośliny mogą pobierać wodę, należy zmierzyć potencjał wody. Przeczytaj więcej na ten temat w artykule: "Dlaczego wilgotność gleby nie powie Ci wszystkiego, co musisz wiedzieć". Jeśli jednak chcesz wiedzieć, kiedy podlewać lub ile wody jest przechowywane w glebie dla roślin, prawdopodobnie potrzebujesz zarówno zawartości wody, jak i potencjału wody. Wynika to z faktu, że musisz wiedzieć, ile wody fizycznie znajduje się w glebie i musisz wiedzieć, w którym momencie rośliny nie będą w stanie jej pobrać. Dowiedz się więcej o tym, jak to działa w artykule: "Kiedy podlewać: podwójne pomiary rozwiązują zagadkę".

Który czujnik zawartości wody jest najlepszy dla danego zastosowania?

W tym 20-minutowym webinarium dr Colin Campbell wyjaśnia różnice między metodami pomiaru zawartości wody w glebie . Omawia naukową teorię pomiaru oraz zalety i wady każdej z metod. Wyjaśnia również, która technologia może mieć zastosowanie do różnych rodzajów badań terenowych i dlaczego nowoczesne pomiary to coś więcej niż tylko czujnik.

Dowiedz się: 

• Teoria pomiarów metodą grawimetryczną, pojemność, reflektometria w dziedzinie czasu (TDR), transmisja w dziedzinie czasu (TDT), reflektometria w dziedzinie częstotliwości (FDR), czujniki rezystancyjne i inne.
• Która technologia ma zastosowanie w różnych sytuacjach terenowych
• Jakie czynniki mają znaczenie przy wyborze typu czujnika?
• Dlaczego niektóre metody nie nadają się do badań naukowych
• Nowoczesne czujniki to coś więcej niż tylko sensor
• Jak określić dobry stosunek ceny do wydajności dla danego zastosowania?

Zasoby dla: Czym jest wilgotność gleby?

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. Prasa akademicka, 2013.(Link do książki)

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

Jak interpretować dane dotyczące wilgotności gleby

Zanurz się głęboko w wiedzę o wilgotności gleby. W poniższym webinarium dr Colin Campbell omawia, jak interpretować zaskakujące i problematyczne dane dotyczące wilgotności gleby. Uczy również, czego można się spodziewać w różnych sytuacjach związanych z glebą, terenem i środowiskiem.