Essencialmente, existem apenas dois métodos de medição primários para o potencial da água: os tensiômetrose os métodos de pressão de vapor. Os tensiômetros trabalham na faixa úmida -tensiômetros especiais que retardam o ponto de ebulição da água têm uma faixa de 0 a cerca de -0,2 MPa. Os métodos de pressão de vapor funcionam na faixa seca - de cerca de -0,1 MPa a -300 MPa (0,1 MPa é 99,93% de UR; -300 MPa é 11%).
Historicamente, essas faixas não se sobrepunham, mas os recentes avanços na tecnologia de tensiômetros e sensores de temperatura mudaram isso. Agora, um usuário habilidoso com excelentes métodos e o melhor equipamento pode medir toda a faixa de potencial hídrico no laboratório.
No entanto, há motivos para procurar métodos de medição secundários. Os métodos de pressão de vapor não são úteis in situ, e a precisão do tensiômetro deve ser paga com manutenção constante e cuidadosa (embora exista uma versão de autoenchimento do tensiômetro).
Além disso, há métodos tradicionais, como blocos de gesso, placas de pressão e papel de filtro, que devem ser compreendidos. Esta seção aborda brevemente os pontos fortes e as limitações de cada método.
A placa de pressão foi introduzida na década de 1930 por L.A. Richards. Na verdade, ela não mede o potencial hídrico de uma amostra. Em vez disso, ela leva a amostra a um potencial hídrico específico aplicando pressão à amostra e permitindo que o excesso de água flua através de uma placa de cerâmica porosa. Quando a amostra atinge o equilíbrio, seu potencial hídrico será equivalente à pressão aplicada.
Normalmente, as placas de pressão são usadas para criar curvas características de umidade do solo. Quando as amostras de solo atingem um potencial hídrico específico sob pressão, o pesquisador pode remover a amostra da placa e secá-la para medir seu teor de água. Uma característica de umidade do solo pode ser produzida fazendo essas medições em diferentes pressões no aparelho de placa de pressão.
A precisão das placas de pressão é importante, pois elas são frequentemente usadas para calibrar outros métodos de medição secundários.
Para fazer uma curva precisa de liberação de umidade com uma placa de pressão, é preciso garantir que a amostra tenha entrado totalmente em equilíbrio na pressão designada. Vários revisores, incluindo Gee et. al (2002), Cresswell et. al (2008) e Bittelli e Flury (2009), observaram problemas com essa suposição.
Os erros, especialmente em baixos potenciais hídricos, podem ser causados por poros obstruídos na cerâmica da placa de pressão, restrição de fluxo dentro da amostra, perda de contato hidráulico entre a placa e o solo devido ao encolhimento do solo e reabsorção de água quando a pressão na placa é liberada. Em baixos potenciais hídricos, as baixas condutividades hidráulicas podem fazer com que o equilíbrio leve semanas ou até meses. Gee et. al (2002) mediram os potenciais de água de amostras equilibradas por 9 dias em placas de pressão de 15 bar e descobriram que eles estavam em -0,5 MPa em vez do esperado -1,5 MPa. Especialmente ao construir uma curva de liberação de umidade para estimar a condutividade hidráulica e determinar a água disponível para a planta, as medições da placa de pressão em potenciais inferiores a -0,1 MPa (-1 bar) podem causar erros significativos (Bittelli e Flury, 2009).
Além disso, Baker e Frydman (2009) estabelecem teoricamente que a matriz do solo drenaria de forma diferente sob uma pressão positiva do que sob sucção. Eles postulam que os conteúdos de água de equilíbrio obtidos com a sucção serão significativamente diferentes daqueles que ocorrem em condições naturais. Evidências anedóticas parecem apoiar essa ideia, embora sejam necessários mais testes. Em última análise, as placas de pressão podem ter precisão suficiente na faixa úmida (0 a -0,5 MPa) para algumas aplicações, mas outros métodos podem oferecer melhor precisão, o que pode ser especialmente importante ao usar os dados para modelagem ou calibração.
O higrômetro de ponto de orvalhoWP4C é um dos poucos instrumentos disponíveis comercialmente que atualmente usa essa técnica. Como os psicrômetros tradicionais de termopar, o higrômetro de ponto de orvalho equilibra uma amostra em uma câmara selada.
Um pequeno espelho na câmara é resfriado até que o orvalho comece a se formar sobre ele. No ponto de orvalho, o WP4C mede as temperaturas do espelho e da amostra com precisão de 0,001◦C para determinar a umidade relativa do vapor acima da amostra.
A versão mais atual desse higrômetro de ponto de orvalho tem uma precisão de ±1% de -5 a -300 MPa e também é relativamente fácil de usar. Muitos tipos de amostras podem ser analisados em cinco a dez minutos, embora as amostras úmidas demorem mais.
Em altos potenciais de água, as diferenças de temperatura entre a pressão de vapor saturado e a pressão de vapor dentro da câmara de amostra se tornam extremamente pequenas.
As limitações da resolução da medição de temperatura significam que os métodos de pressão de vapor provavelmente nunca substituirão os tensiômetros.
O higrômetro de ponto de orvalho tem uma faixa de -0,1 a -300 MPa, embora as leituras possam ser feitas além de -0,1 MPa usando técnicas especiais. Os tensiômetros continuam sendo a melhor opção para leituras na faixa de 0 a -0,1 MPa.
O HYPROP é um instrumento de laboratório exclusivo que usa o método de evaporação Wind/Schindler para fazer curvas de liberação de umidade em solos com potenciais de água na faixa do tensiômetro.
Hyprop utiliza dois minitensiômetros de precisão para medir o potencial da água em diferentes níveis dentro de uma amostra de solo saturada de 250 cm3 enquanto a amostra repousa em uma balança de laboratório. Com o passar do tempo, a amostra seca, e o instrumento mede simultaneamente a alteração do potencial hídrico e a alteração do peso da amostra. Ele calcula o teor de umidade a partir das medições de peso e plota as alterações no potencial hídrico correlacionadas às alterações no teor de umidade.
Os resultados são verificados e os valores de faixa seca e saturação são calculados de acordo com um modelo selecionado (ou seja, van Genuchten/Mualem, van Genuchten/Mualem bimodal ou Brooks e Corey).
Hyprop tem alta precisão e produz uma curva completa de liberação de umidade na faixa úmida. A curva leva de três a cinco dias para ser concluída, mas o instrumento funciona sem supervisão.
Hypropé limitada pela faixa dos tensiômetros, embora os minitensiômetros tenham sido usados para medir além de -250 kPa (-0,25 MPa) devido ao seu recurso de retardamento de ebulição.
Abaixo de -250 kPa, os tensiômetros cavitam. Os usuários avançados têm a opção de adicionar um ponto final à curva no ponto de entrada de ar para o copo do tensiômetro de cerâmica (-880 kPa; -0,88 MPa).
O potencial da água, por definição, é uma medida da diferença de energia potencial entre a água em uma amostra e a água em um reservatório de referência de água pura e livre. O tensiômetro é uma atualização dessa definição.
O tubo do tensiômetro contém um reservatório de água (teoricamente) pura e livre. Esse reservatório é conectado (por meio de uma membrana permeável) a uma amostra de solo. Graças à segunda lei da termodinâmica, a água se move do reservatório para o solo até que sua energia seja igual em ambos os lados da membrana. Isso cria um vácuo no tubo. O tensiômetro usa um medidor de pressão negativa (um vacuômetro) para medir a força desse vácuo e descreve o potencial da água em termos de pressão.
Os tensiômetros são provavelmente o tipo mais antigo de instrumento de potencial hídrico (o conceito inicial data pelo menos de Livingston em 1908), mas ainda podem ser bastante úteis. De fato, na faixa úmida, um tensiômetro de alta qualidade, usado com habilidade, pode ter excelente precisão.
O alcance do tensiômetro é limitado pela capacidade da água dentro do tubo de resistir ao vácuo. Embora a água seja essencialmente incompressível, as descontinuidades na superfície da água, como bordas ou grãos, fornecem pontos de nucleação onde as fortes ligações da água são rompidas e ocorre a cavitação (ebulição de baixa pressão). A maioria dos tensiômetros cavita em torno de -80 kPa, bem no meio da faixa disponível na planta.
No entanto, a METER Group Ag, na Alemanha, fabrica tensiômetros que são clássicos modernos graças à precisão da engenharia alemã, à construção meticulosa e à atenção fanática aos detalhes. Esses tensiômetros têm uma precisão incrível e uma faixa que (com um operador cuidadoso) pode se estender até -250 kPa.
O teor de água tende a ser mais fácil de medir do que o potencial hídrico e, como os dois valores estão relacionados, é possível usar uma medição do teor de água para encontrar o potencial hídrico.
Um gráfico que mostra como o potencial hídrico muda à medida que a água é adsorvida e dessorvida de uma matriz específica do solo é chamado de característica de umidade ou curva de liberação de umidade.
Toda matriz que pode reter água tem uma característica de umidade exclusiva, tão única e distinta quanto uma impressão digital. Nos solos, mesmo pequenas diferenças na composição e na textura têm um efeito significativo sobre a característica de umidade.
Alguns pesquisadores desenvolvem uma característica de umidade para um tipo específico de solo e usam essa característica para determinar o potencial hídrico a partir das leituras de conteúdo de água. Os sensores de potencial matricial adotam uma abordagem mais simples, aproveitando a segunda lei da termodinâmica.
Os sensores de potencial matricial usam um material poroso com características de umidade conhecidas. Como todos os sistemas de energia tendem ao equilíbrio, o material poroso chegará ao equilíbrio do potencial hídrico com o solo ao seu redor.
Usando a característica de umidade para o material poroso, é possível medir o conteúdo de água do material poroso e determinar o potencial hídrico do material poroso e do solo ao redor. Os sensores de potencial matricial usam uma variedade de materiais porosos e vários métodos diferentes para determinar o conteúdo de água.
Na melhor das hipóteses, os sensores de potencial matricial têm boa, mas não excelente, precisão. Na pior das hipóteses, o método só pode dizer se o solo está ficando mais úmido ou mais seco. A precisão de um sensor depende da qualidade da característica de umidade desenvolvida para o material poroso e da uniformidade do material usado. Para obter uma boa precisão, o material específico usado deve ser calibrado usando um método de medição primário. A sensibilidade desse método depende da rapidez com que o conteúdo de água muda à medida que o potencial hídrico muda. A precisão é determinada pela qualidade da medição do teor de umidade.
A precisão também pode ser afetada pela sensibilidade à temperatura. Esse método depende de condições isotérmicas, o que pode ser difícil de conseguir. As diferenças de temperatura entre o sensor e o solo podem causar erros significativos.
Todos os sensores de potencial matricial são limitados pela condutividade hidráulica: à medida que o solo fica mais seco, o material poroso leva mais tempo para se equilibrar. A mudança no conteúdo de água também se torna pequena e difícil de medir. Na extremidade úmida, o alcance do sensor é limitado pelo potencial de entrada de ar do material poroso que está sendo usado.
O método do papel de filtro foi desenvolvido na década de 1930 por cientistas do solo como uma alternativa aos métodos disponíveis na época. Um tipo específico de papel de filtro (Whitman No. 42 Ashless) é usado como meio poroso. As amostras são equilibradas com o meio de papel de filtro. As amostras são equilibradas com o papel de filtro em uma câmara selada a temperatura constante. O conteúdo gravimétrico de água do papel de filtro é determinado usando um forno de secagem, e o potencial de água é inferido a partir da curva característica de umidade predeterminada do papel de filtro. Deka et al. (1995) constataram que eram necessários pelo menos 6 dias para o equilíbrio total.
A faixa do papel de filtro é comumente aceita como sendo de até -100 MPa se for permitido o equilíbrio total. Entretanto, conforme ilustrado, os erros dos gradientes de temperatura tornam-se excepcionalmente grandes em potenciais de água próximos de zero.
Esse método é barato e simples, mas não é preciso. Ele exige condições isotérmicas, o que pode ser difícil de obter. Pequenas variações de temperatura podem causar erros significativos.
Os blocos de gesso são frequentemente usados como indicadores simples de eventos de irrigação. Os blocos de gesso medem a resistência elétrica de um bloco de gesso conforme ele responde às mudanças no solo ao redor. A resistência elétrica é proporcional ao potencial de água.
Os blocos de gesso são incrivelmente baratos e bastante fáceis de usar.
As leituras dependem da temperatura e têm uma precisão muito baixa. Além disso, o gesso se dissolve com o tempo, especialmente em solos salinos, e perde suas propriedades de calibração. Os blocos de gesso informam se está úmido ou seco, mas não muito mais.
Assim como os blocos de gesso, os sensores matriciais granulares medem a resistência elétrica em um meio poroso. Em vez de gesso, eles usam quartzo granular envolto por uma membrana sintética e uma malha protetora de aço inoxidável.
Em comparação com os blocos de gesso, os sensores matriciais granulares duram mais e funcionam em condições de solo mais úmido. O desempenho pode ser aprimorado com a medição e a compensação das variações de temperatura.
As medições dependem da temperatura e têm baixa precisão. Além disso, mesmo com um bom contato entre o solo e o sensor, os sensores matriciais granulares têm problemas de reumedecimento após terem sido equilibrados para condições muito secas, pois a água tem uma capacidade reduzida de entrar no meio grosso da matriz granular a partir de um solo fino. O alcance é limitado na parte úmida pelo potencial de entrada de ar da matriz. Os sensores matriciais granulares só podem começar a medir o conteúdo/potencial de água quando os maiores poros da matriz começam a drenar. Além disso, esses sensores usam um grânulo de gesso, que se dissolve com o tempo, o que resulta em baixa estabilidade a longo prazo.
Os sensores baseados em cerâmica usam um disco de cerâmica como meio poroso. A qualidade do sensor depende das qualidades específicas da cerâmica.
A precisão é limitada pelo fato de que cada disco tem uma característica de umidade um tanto exclusiva. A uniformidade do material cerâmico produz maior precisão, mas limita significativamente o intervalo. A calibração personalizada de cada sensor individual melhora drasticamente a precisão, mas consome muito tempo. Inovações recentes na técnica de calibração podem oferecer melhores opções de calibração comercial.
O alcance é limitado na parte úmida pelo potencial de entrada de ar da cerâmica. Os sensores baseados em cerâmica só podem começar a medir o conteúdo/potencial de água quando os poros maiores da cerâmica começam a drenar. No lado seco, o alcance é limitado pela porosidade total contida em poros pequenos que drenam em baixos potenciais de água.
O sensor de dissipação de calor mede o teor de umidade da cerâmica por meio da medição de sua condutividade térmica. Usando um cilindro de cerâmica contendo um aquecedor e um termopar, ele mede a temperatura de base, aquece por alguns segundos e, em seguida, mede a mudança de temperatura. Ao traçar o gráfico da mudança de temperatura em relação ao tempo de registro, ele determina o teor de umidade da cerâmica. O teor de umidade é convertido em potencial de água usando a característica de umidade do disco de cerâmica. Observe que, como o sensor é aquecido, ele deve ser alimentado por um sistema com grandes reservas de energia (por exemplo, registrador de dados da Campbell Scientific ou equivalente).
A menos que seja calibrado individualmente de forma personalizada, o sensor de dissipação de calor tem precisão moderada.
Na extremidade muito seca, há muita sensibilidade na curva de condutividade térmica, o que dá aos sensores de dissipação de calor maior utilidade na faixa seca (-1 a -50 mPa). Na extremidade úmida, o sensor de dissipação de calor é limitado pelo potencial de entrada de ar da cerâmica.
Os sensores de potencial dielétrico matricial medem a capacidade de armazenamento de carga de um disco de cerâmica para determinar seu teor de água. Em seguida, eles usam a característica de umidade do disco para converter o conteúdo de água em potencial hídrico.
Por usarem uma técnica dielétrica, os sensores são altamente sensíveis a pequenas alterações na água. Como todos os sensores baseados em cerâmica, os sensores de potencial matricial exigem calibração personalizada para obter boa precisão.
Os sensores de potencial dielétrico matricial são de baixa potência e não precisam de manutenção.
Sem calibração, os sensores têm uma precisão de apenas ±40% da leitura. No entanto, uma versão recente do sensor, calibrada sob medida, promete uma precisão de ±10% da leitura.
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