WSPÓŁTWÓRCY

Który czujnik wilgotności gleby wybrać?

Deciding how to measure soil moisture can be complicated, but METER’s easy, plug and play soil sensors simplify the process. When choosing a METER soil moisture sensor, the first thing to know is that all METER soil sensors have the same research-grade accuracy with minimum sensitivity to salts (<10 dS/m bulk EC), temperature gradients, and soil texture. Among the thousands of peer-reviewed publications using METER soil sensors, no soil moisture sensor or water potential (soil suction) sensor emerges as the favorite. Thus sensor choice should be based on your needs and application. Use the following considerations to help identify the perfect soil moisture sensor or water potential sensor for your research.  Explore the links for a more in-depth look at soil moisture definitions, terms, and topics.

JAK MIERZYĆ WILGOTNOŚĆ GLEBY - WYBIERZ WŁAŚCIWY POMIAR

Objętościowa zawartość wody

Jeśli chcesz zmierzyć wzrost i spadek ilości (lub procentu) wody w glebie, będziesz potrzebować czujnika zawartości wody (czujnika wilgotności gleby). Gleba składa się z wody, powietrza, minerałów, materii organicznej i czasami lodu (rysunek 1). Jako składnik, woda stanowi procent całości. Aby bezpośrednio zmierzyć zawartość wody w glebie, można obliczyć wartość procentową na podstawie masy (grawimetryczna zawartość wody), porównując ilość wody jako masę do całkowitej masy wszystkich innych składników. Ponieważ jednak metoda ta jest pracochłonna, większość badaczy wykorzystuje czujniki wilgotności gleby do automatycznego pomiaru opartego na objętości, zwanego objętościową zawartością wody (VWC).

Czujniki wilgotności gleby METER wykorzystują technologię pojemnościową o wysokiej częstotliwości do pomiaru objętościowej zawartości wody w glebie, co oznacza, że mierzą ilość wody na podstawie objętości w porównaniu do całkowitej objętości gleby. Zastosowania, które zazwyczaj wymagają czujników wilgotności gleby, obejmują charakterystykę działu wodnego, planowanie nawadniania, zarządzanie szklarnią, zarządzanie fertygacją, ekologię roślin, badania bilansu wodnego, ekologię drobnoustrojów, prognozowanie chorób roślin, oddychanie gleby, hydrologię i monitorowanie stanu gleby. Więcej informacji na temat objętościowej zawartości wody można znaleźć tutaj.

Potencjał wody

Jeśli konieczne jest zrozumienie wody dostępnej dla roślin, stresu wodnego roślin lub ruchu wody (czy woda będzie się przemieszczać i dokąd pójdzie), oprócz czujnika wilgotności gleby wymagany jest czujnik potencjału wody w glebie. Potencjał wody jest miarą stanu energetycznego wody w glebie lub innymi słowy, jak mocno woda jest związana z powierzchniami gleby. Napięcie to określa, czy woda jest dostępna do pobrania przez korzenie i zapewnia zakres, który mówi, czy woda będzie dostępna dla wzrostu roślin. Ponadto woda zawsze przemieszcza się od wysokiego potencjału wody do niskiego potencjału wody, dzięki czemu naukowcy mogą wykorzystać potencjał wody do zrozumienia i przewidywania dynamiki ruchu wody. Dowiedz się więcej o potencjale wody tutaj.

Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po potencjale wody"

Zrozumienie typu i tekstury gleby

W glebie puste przestrzenie (pory) między cząstkami gleby można w uproszczeniu traktować jako system rurek kapilarnych o średnicy określonej przez rozmiar powiązanych cząstek i ich przestrzenne powiązanie. Im mniejszy rozmiar tych rurek, tym ściślej woda jest zatrzymywana ze względu na powiązanie powierzchni.

Glina zatrzymuje wodę mocniej niż piasek przy tej samej zawartości wody, ponieważ glina ma mniejsze pory, a tym samym większą powierzchnię, z którą woda może się wiązać. Ale nawet piasek może w końcu wyschnąć do punktu, w którym na jego powierzchni znajduje się tylko cienka warstwa wody, a woda będzie ściśle związana. Zasadniczo, im bliżej powierzchni znajduje się woda, tym ściślej będzie związana. Ponieważ woda jest luźno związana w glebie piaszczystej, jej ilość szybko się wyczerpie i uzupełni. Gleby gliniaste zatrzymują wodę tak mocno, że ruch wody jest powolny. Woda jest jednak nadal dostępna.

Uwaga: Użyj PARIO analizatora tekstury gleby, aby zautomatyzować identyfikację typu i tekstury gleby.

Dwa pomiary są lepsze niż jeden

Czujniki wilgotności gleby skutecznie mierzą procentową zawartość wody we wszystkich typach i teksturach gleby. Podwójne pomiary - wykorzystujące oba typy czujników gleby: czujnik potencjału wody w glebie oprócz czujnika wilgotności gleby - dają badaczom całkowity obraz wilgotności gle by i są znacznie skuteczniejsze w określaniu, kiedy i ile należy podlewać. Dane dotyczącezawartości wody pokazują subtelne zmiany spowodowane codziennym pobieraniem wody, a także wskazują, ile wody należy zastosować, aby utrzymać strefę korzeniową na optymalnym poziomie. Dane dotyczące potencjału wody określają, jaki jest ten optymalny poziom dla danego rodzaju i tekstury gleby. Przeczytaj więcej o tym, jak to działa tutaj.

Uzyskaj szerszy obraz dzięki krzywym uwalniania wilgoci

Podwójne pomiary zarówno zawartości wody, jak i potencjału wodnego umożliwiają również tworzeniekrzywych uwalniania wilgoci z gleby in situ (lub krzywych charakterystycznych wody glebowej), takich jak ta poniżej (rysunek 5), które szczegółowo opisują związek między potencjałem wodnym a zawartością wody. Naukowcy i inżynierowie mogą ocenić te krzywe w laboratorium lub w terenie i zrozumieć wiele rzeczy na temat gleby, takich jak przewodność hydrauliczna i całkowita dostępność wody. Więcej informacji na temat krzywych uwalniania wilgoci z gleby można znaleźć tutaj.

Pytania? Porozmawiaj z ekspertem

WYBÓR ODPOWIEDNIEGO CZUJNIKA WILGOTNOŚCI GLEBY

Oczekiwana długość życia ma znaczenie

Dla badaczy ważne jest, aby wiedzieć, jak długo potrwa eksperyment, aby mogli wybrać czujnik wilgotności gleby, który spełni ich oczekiwania. METER 10HS czujnik wilgotności gleby i EC-5 i czujnik wilgotności gleby METER są wykonane w technologii obtrysku, która zapewnia trwałość od 3 do 5 lat w terenie przy typowym użytkowaniu (mniej w ciepłych/mokrych warunkach). Wzmocnione czujniki gleby TEROS 11, TEROS 12, TEROS 10, i TEROS 54 mają dwukrotnie dłuższą żywotność niż nasze standardowe czujniki dzięki ulepszonemu wypełnieniu poliuretanowemu (epoksydowemu). Testy laboratoryjne wskazują, że czujniki te wytrzymują ponad 10 lat, zanim woda dostanie się do płytki drukowanej. Jeśli środowisko badawcze jest tropikalne - ciepłe i zazwyczaj wilgotne - zawsze wybieraj czujnik o długiej żywotności.

Który czujnik do czego służy?

Czujniki wilgotności gleby METER mają minimalną wrażliwość na temperaturę, ale jeśli głębokość instalacji jest płytka, a lokalizacja jest odsłonięta, należy wziąć pod uwagę wpływ temperatury. Czujniki wilgotności gleby TEROS 11 i TEROS 12 oraz sonda profilu wilgotności gleby TEROS 54 mają wbudowany termistor, który mierzy temperaturę wraz z wilgotnością gleby. Eliminuje to potrzebę stosowania dodatkowych czujników temperatury w każdym miejscu pomiaru. Sonda profilowa TEROS 54 mierzy zawartość wody w glebie i temperaturę gleby na wielu głębokościach, umożliwiając wykonywanie większej liczby pomiarów na każdym porcie rejestratora danych.

Naukowcy, którzy chcą mierzyć przewodność elektryczną(EC) oprócz zawartości wody, powinni wybrać czujnik wilgotności gleby TEROS 12. Czujnik ten umożliwia użytkownikom pomiar odpowiedzi EC na sole i nawozy w glebie. Pomiary EC wymagają dobrego kontaktu między elektrodami ze stali nierdzewnej na czujniku a glebą.

Wielu naukowców preferuje model TEROS 10 wyłącznie do pomiarów wilgotności gleby. Jest łatwy w instalacji, niedrogi i niezawodny - idealny do dużych projektów, w których czujniki są potrzebne w dużych ilościach. W trudnych (twardych lub skalistych) glebach, podłożach doniczkowych i bezglebowych zalecamy stosowanie czujników z serii TEROS , aby utrzymać dobry kontakt z glebą i skompensować luki powietrzne w glebie lub podłożu.

Wszystkie czujniki wilgotności gleby METER współpracują z rejestratorami danych METER na zasadzie plug-and-play. Integrują się również z rejestratorami innych firm przy użyciu protokołu SDI-12. Można użyć ZL6 do łatwego gromadzenia danych ze zdalnych lokalizacji lub ręcznego pobierania danych.

Porównanie czujników zawartości wody METER z innymi metodami

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 czujniki 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?

Zrozumienie zmienności może być trudne

W obrębie badanego obszaru zmienność wilgotności gleby wynika z różnic w teksturze gleby, ilości i rodzaju pokrywy roślinnej, topografii, opadów i innych czynników pogodowych, praktyk zarządzania i właściwości hydraulicznych gleby (jak szybko woda przepływa przez glebę). Badacze powinni wziąć pod uwagę zmienność cech krajobrazu, aby zorientować się , ile lokalizacji próbek jest niezbędnych do uchwycenia różnorodności wilgotności gleby. Naukowcy często mierzą wilgotność gleby na różnych głębokościach, aby zrozumieć wpływ zmienności gleby i obserwować, jak woda przemieszcza się przez profil glebowy. Duże obszary badawcze lub miejsca o dużej zmienności często wymagają dużej liczby czujników wilgotności gleby. Czujnik EC-5 Czujnik wilgotności gleby lub czujnik wilgotności gleby TEROS 10 są ekonomicznym wyborem dla naukowców, którzy potrzebują dużej sieci czujników gleby. Czujnik wilgotności gleby TEROS 11 i czujnik gleby TEROS 12, nasze najnowsze czujniki, mają większą objętość wpływu (1 litr), co może pomóc w wygładzeniu zmienności.

Dane dotyczące wpływu instalacji

Wysokiej jakości czujniki badawcze METER dostarczają doskonałych danych, ale użytkownicy muszą zrozumieć sytuację na miejscu podczas przygotowań do instalacji. Wszystkie sondy dielektryczne są najbardziej czułe pomiędzy bolcami.

Jakakolwiek utrata kontaktu między sondą a glebą lub zagęszczenie gleby w objętości pomiarowej czujnika może skutkować błędami pomiaru. Woda gromadząca się na powierzchni i spływająca preferencyjnymi ścieżkami w dół otworów montażowych sondy może również powodować błędy pomiarowe. Są to kwestie, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze najlepszej metody instalacji dla konkretnego miejsca lub rodzaju gleby, a to oznacza, że kształt igły, rozmiar i trwałość czujnika wilgotności gleby będą miały znaczenie w trudnych glebach. Nowy czujnik TEROS Borehole Installation Tool stosowany w czujnikach z serii TEROS eliminuje szczeliny powietrzne, zakłócenia gleby i preferencyjny przepływ. Obejrzyj film, aby zobaczyć, jak to działa.

Jeśli gleba jest zbyt kamienista lub twarda, aby zapewnić dobry kontakt czujnika z glebą, należy rozważyć użycie czujnika potencjału wody TEROS 21. Zawartość wody można obliczyć na podstawie danych potencjału wody przy użyciu krzywej uwalniania wilgoci z gleby, a czujnik TEROS 21 można zasypać lub zapakować. TEROS 10, 11 lub 12 czujników wilgotności gleby używanych z narzędziem instalacyjnym to nasza jednogłośna rekomendacja dla trudnych gleb.

Potrzebujesz dokładniejszego czujnika wilgotności gleby?

Aby uzyskać większą dokładność, należy rozważyć kalibrację specyficzną dla gleby. Czujniki wilgotności gleby METER mierzą objętościową zawartość wody w glebie poprzez pomiar stałej dielektrycznej gleby, która jest silną funkcją zawartości wody. Jednak nie wszystkie gleby mają identyczne właściwości elektryczne. Ze względu na różnice w gęstości nasypowej gleby, mineralogii, teksturze i zasoleniu, ogólna kalibracja mineralna dla obecnych czujników METER daje dokładność około ± 3 do 4% dla większości gleb mineralnych i około ± 5% dla bezglebowych podłoży wzrostowych (ziemia doniczkowa, wełna mineralna, włókno kokosowe itp.). Jednakże dokładność wzrasta do ± 1 do 2% dla gleb i podłoży bezglebowych z kalibracją specyficzną dla gleby. METER zaleca użytkownikom czujników wilgotności gleby przeprowadzenie kalibracji specyficznej dla gleby lub skorzystanie z naszej usługi kalibracji specyficznej dla gleby w celu uzyskania najlepszej możliwej dokładności pomiarów objętościowej zawartości wody.

WYBÓR ODPOWIEDNIEGO CZUJNIKA POTENCJAŁU WODY

Dokonywanie dobrych pomiarów potencjału wody jest w dużej mierze funkcją wyboru odpowiedniego przyrządu i umiejętnego korzystania z niego. W idealnym świecie istniałby jeden przyrząd, który w prosty i dokładny sposób mierzyłby potencjał wody w całym zakresie od mokrego do suchego. W prawdziwym świecie istnieje szereg przyrządów, z których każdy ma dobrze zdefiniowany zakres. Rysunek 7 ilustruje, że czujnik potencjału matrykalnego METER TEROS 21 jest przydatny do pomiaru potencjału wody w zakresie wody dostępnej dla roślin (od pojemności pola do suchości powietrza). Czujnik potencjału matrykalnego TEROS 22 jest podobny do czujnika TEROS 21, ale ma łatwiejszy proces instalacji (nie wymaga wykonywania wykopów). Zarówno TEROS 21, jak i TEROS 22 mogą mierzyć w pełnym zakresie wilgotności. Testy laboratoryjne i terenowe wskazują, że czujniki te mogą wykonywać pomiary potencjału wody z akceptowalną dokładnością co najmniej tak sucho, jak stały punkt więdnięcia. Tensjometr ma znacznie wyższą dokładność pomiaru potencjału wody w zakresie wilgotności, w którym występuje większość ruchów wody. Tylko tensjometry mają możliwość bezpośredniego pomiaru wysokich zakresów potencjału wody.

Webinarium dr Colina Campbella (poniżej) "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.

Czujniki potencjału macierzy

Czujniki potencjału matrykalnego METER TEROS 21 i TEROS 22 składają się z czujnika zawartości wilgoci i porowatego podłoża o znanej krzywej uwalniania wilgoci. Po ustabilizowaniu się porowatego materiału z otaczającą glebą, czujnik wilgotności mierzy zawartość wody w porowatym materiale, a czujnik wykorzystuje krzywą uwalniania wilgoci do przełożenia zawartości wilgoci na potencjał wody.

• Zasięg a dokładność: Zakres czujnika potencjału matrycowegozależy od zmienności wielkości porów w porowatym podłożu; im szerszy zakres wielkości porów, tym większy zakres pomiaru. Dostępne na rynku materiały ceramiczne mają jednolity rozmiar porów, co ogranicza ich zasięg. Czujniki TEROS 21 i TEROS 22 wykorzystują ceramikę specjalnie zaprojektowaną z szerokim rozkładem wielkości porów dla szerszego zakresu pomiarowego. Dokładność czujnika zależy jednak od tego, jak dobrze krzywa uwalniania wilgoci charakteryzuje porowate podłoże w danym czujniku. Im bardziej spójne jest podłoże w poszczególnych czujnikach, tym dokładniejszy będzie każdy z nich. Znacznie zróżnicowane rozmiary porów prowadzą do niespójności między czujnikami, co stawia te dwa krytyczne cele czujników w konflikcie.
• Rozwiązanie kalibracyjne: Konflikt ten można rozwiązać za pomocą fabrycznej kalibracji każdego czujnika. Jednak zawsze był to czasochłonny i kosztowny proces. Dokładność TEROS 21 i TEROS 22 wynika z przełomowych metod kalibracji fabrycznej, które umożliwiają indywidualną kalibrację czujników za pomocą zautomatyzowanego urządzenia kalibracyjnego. Te nowe techniki sprawiają, że TEROS 21 i TEROS 22 są pierwszymi pełnozakresowymi, tanimi czujnikami potencjału matrycowego o dokładności klasy badawczej.

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 manometr podciśnieniowy (przetwornik ciśnienia) 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 mogą być całkiem przydatne. W rzeczywistości, w zakresie wilgotnym, wysokiej jakości tensjometr używany umiejętnie może mieć doskonałą dokładność. Jak już wcześniej wspomniano, na tensjometr nie ma wpływu niejednorodność gleby.

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 METER 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 do -85 kPa.

Który tensjometr do czego służy?

Wybór tensometru powinien opierać się na jego zastosowaniu. Tensjometr TEROS 31 to mały tensjometr laboratoryjny używany do pomiarów punktowych lub eksperymentów kolumnowych. Możliwe jest użycie tensometru TEROS 31 w terenie do kontroli wyrywkowych, ale jest to niewygodne, ponieważ w przypadku kawitacji należy go ponownie napełnić w laboratorium. Model TEROS 32 jest tensjometrem polowym. Jest on wyposażony w zewnętrzne rurki do napełniania, które eliminują potrzebę wyjmowania tensjometru z ziemi w celu napełnienia.

Wybór czujnika będzie również zależał od wymagań dotyczących gromadzenia danych. Czujnik TEROS 32 zapewnia ciągłe, zdalne zbieranie danych w czasie zbliżonym do rzeczywistego. ZENTRA Cloud. Został zaprojektowany do współpracy z rejestratorem danych ZL6 i ręcznym czytnikiem ProCheck, co czyni go najlepszym wyborem dla dużej sieci czujników. TEROS 31 współpracuje również z ZL6 i ZENTRA Cloud oraz ProCheck. Zarówno TEROS 31, jak i TEROS 32 mogą współpracować z rejestratorem danych Campbell Scientific (lub podobnym).

Zrozumienie długości wału, kabla i rurki uzupełniającej

Tensjometr TEROS 32 jest zwykle instalowany w terenie pod kątem. Zalecamy użycie ślimaka polowego METER, który jest specjalnie dobrany do instalacji tego tensjometru. Zalecamy również użycie pokrywy zaworu irygacyjnego w celu ochrony wału tensjometru.

Wymagana długość wału będzie zależeć od głębokości instalacji. Jeśli na przykład chcesz dokonać pomiaru na głębokości jednego metra i instalujesz pod kątem, musisz wiedzieć, jaki jest ten kąt, aby obliczyć, jak długi powinien być wałek. Zazwyczaj będzie on od 10 do 20 cm dłuższy niż żądana głębokość instalacji. Ponadto, rurki uzupełniające muszą być dostępne. Im głębiej tensometr jest zakopany, tym dłuższe powinny być rurki, aby dotrzeć do powierzchni. Wreszcie, długość kabla tensometru będzie zależeć od odległości od rejestratora danych.

Zasoby definicji wilgotności 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)

Pytania dotyczące pomiaru wilgotności gleby?

Obejrzyj poniższe webinarium, aby dowiedzieć się więcej:

• 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

Jak interpretować dane dotyczące wilgotności gleby

Poznaj dogłębnie pomiary 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.

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
• Pobierz kompletny przewodnik badacza po wilgotności gleby