قياسات إمكانات مياه التربة والتوصيلية بناء على تجربة تبخر بسيطة باستخدام محلل الخصائص الهيدروليكية

Alessia J. Marchesan; Kris Guenette; Lewis K. Fausak; Guillermo Hernandez Ramirez

doi:10.3791/66942

مقالة منهجية

قياسات إمكانات مياه التربة والتوصيلية بناء على تجربة تبخر بسيطة باستخدام محلل الخصائص الهيدروليكية

DOI:

10.3791/66942

⸱

أغسطس 9, 2024

Alessia J. Marchesan¹ , Kris Guenette¹ , Lewis K. Fausak² , Guillermo Hernandez Ramirez¹

¹Renewable Resources, University of Alberta, ²Faculty of Land and Food Systems, University of British Columbia

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تعرض هذه المقالة تجربة تبخر بسيطة باستخدام أداة خاصية هيدروليكية لعينة من التربة. من خلال الوسائل الفعالة ، يمكن إجراء القياسات على مدار سلسلة من الأيام لإنشاء بيانات عالية الجودة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعد قياس الخصائص الهيدروليكية للتربة أمرا بالغ الأهمية في فهم المكونات الفيزيائية لصحة التربة بالإضافة إلى المعرفة المتكاملة لأنظمة التربة في ظل ممارسات الإدارة المختلفة. يعد جمع البيانات الموثوقة أمرا ضروريا لإبلاغ القرارات التي تؤثر على الزراعة والبيئة. تستخدم تجربة التبخر البسيطة الموضحة هنا الأجهزة في بيئة معملية لتحليل عينات التربة التي تم جمعها في الحقل. يتم قياس توتر مياه التربة للعينة بواسطة الأداة ، ويتم نمذجة بيانات التوتر بواسطة برنامج لإعادة الخصائص الهيدروليكية للتربة. يمكن استخدام هذه الطريقة لقياس احتباس مياه التربة والتوصيل الهيدروليكي وإعطاء نظرة ثاقبة للاختلافات في المعالجات أو الديناميكيات البيئية بمرور الوقت. يتطلب التأسيس الأولي مستخدما ، ولكن يتم الحصول على البيانات تلقائيا باستخدام الأداة. لا يمكن قياس الخصائص الهيدروليكية للتربة بسهولة من خلال التجارب التقليدية ، ويقدم هذا البروتوكول بديلا بسيطا ومثاليا. وتناقش تفسير النتائج وخيارات توسيع نطاق البيانات.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يساعدنا الاحتفاظ بمياه التربة والتوصيل الهيدروليكي في البيئات الطبيعية والمتغيرة من قبل الإنسان على فهم ومراقبة التغيرات في صحة التربة ووظائفها. يوفر تحديد الخصائص الهيدروليكية من خلال منحنى احتباس مياه التربة (SWRC) ومنحنى توصيل مياه التربة نظرة ثاقبة للمحركات الرئيسية للسلوك الفيزيائي للتربة وتوصيف حركة^{المياه 1}. يتم تمثيل العلاقة بين المحتوى المائي الحجمي (θ) والرأس المتري (h) داخل SWRC ، وتصف النطاقات داخل المنحنى نقطة التشبع ، والسعة الميدانية ، ونقطة الذبول^{الدائمة 2}. يمكن أن يكون لممارسات إدارة التربة والتعديلات وأنواع النظم الإيكولوجية الزراعية والظروف البيئية تأثير على المكونات الهيدروليكية للتربة³^،⁴. يمكن أن تؤثر هذه العوامل بدورها على نقل المذاب⁵ والمياه المتاحة^{للنبات 6} ، وتنفس التربة والنشاط الميكروبي⁷ ، وكذلك دورات الترطيب والتجفيف⁸. كقطعة مهمة في تحديد التربة الصحية والعاملة ، فإن التحليل المناسب ل SWRC أمر ضروري للحصول على فهم مستنير للخصائص الهيدروليكية للتربة.

توجد حاليا مجموعة متنوعة من تقنيات القياس لتطوير SWRC موثوق به ، مع كون طرق عمود المياه المعلقة ولوحة الضغط مناهج تقليدية شائعة لتحديد توزيع حجم المسام للتربة². يمكن أن تستغرق الطرق التقليدية وقتا طويلا ، وعادة ما تستغرق أسابيع أو شهورا لتحليل مجموعة صغيرة من^{العينات 9}. علاوة على ذلك ، بمجرد اكتمال التحليل ، تؤدي هذه الطرق إلى عدد قليل من نقاط البيانات التي تعلم SWRC⁹. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تصبح دقة إنتاج البيانات التمثيلية باستخدام الطرق التقليدية مثل لوحات الضغط مصدر قلق عند إمكانات متريك منخفضة ، على وجه الخصوص ، مع التربة ذات النسيج الدقيق¹⁰^،¹¹. تميل التقنيات الأكثر حداثة ، والتي تتضمن نهج تجربة التبخر البسيط باستخدام مقاييس الشد وطريقة نقطة الندى المرآة المبردة ، إلى تقديم بيانات أكثر قابلية للتكرار عبر مجموعة واسعة من قوام التربة². تم تطوير تجربة التبخر البسيطة في البداية بواسطة Wind في عام 1968 ، وتضمنت قياس تغيرات كتلة الماء وتغيرات التوتر من خلال مقاييس الشد في عينة التربة بمرور الوقت¹². عند حدوث التبخر ، يتم أخذ قياسات كتلة عينة التربة على فترات زمنية محددة لإنشاء SWRC. تم تكريرها لاحقا بواسطة Schindler (1980) ، وتضمنت الطريقة مقياسي شد فقط موضوعين عند رؤوس ضغط مختلفة داخل عينة التربة. ثم تم اختبار الطريقة المعدلة والتحقق من صحتها على أنها قادرة على استخدامها في التحليل^{العلمي 13}^،¹⁴. تتمثل إحدى الفوائد الرئيسية لتجربة التبخر البسيطة في إمكانية إنتاج البيانات بسهولة عبر جزء كبير من منحنى رطوبة التربة (0 إلى -300 كيلو باسكال) ، مع نقاط بيانات أكثر من الطرق التقليدية.

تتضمن هذه الأساليب الحديثة أدوات آلية تأخذ العديد من نقاط البيانات طوال فترة تحليل العينة وتنتج البيانات باستخدام واجهة برمجية. أداة الخاصية الهيدروليكية هي أداة معاصرة تنشئ منحنيات احتباس الماء ومنحنيات الموصلية من بيانات العينة¹⁵. من خلال استخدام تجربة تبخر بسيطة باستخدام أداة الخاصية الهيدروليكية ، يمكن تقييم العلاقة بين محتوى الماء وإمكانات الماء في التربة¹. في هذه التجربة ، يوجد الماء الموجود داخل عمود مقياس الشد في حالة توازن مع الماء في محلول التربة. عندما يحدث تبخر مياه التربة وتجف عينة التربة ، يحدث التجويف في مقياس الشد ، وتنتهي التجربة. هناك قيود على أداة الخاصية الهيدروليكية في النطاق الجاف ل SWRC ، حيث أن الأداة قادرة فقط على العمل ضمن إمكانات متريك من 0 إلى -100 كيلو باسكال. يمكن معالجة ذلك من خلال تضمين البيانات التي تم إنشاؤها من خلال تجربة نقطة الندى ذات المرآة المبردة باستخدام أداة إمكانات مياه التربة¹⁶ ، والتي يمكن أن تمتد نطاق البيانات إلى -300,000 كيلو باسكال أو نقطة الذبول الدائمة. يتم تجميع كل هذه البيانات معا في معالجة ما بعد برنامج النمذجة لإبلاغ SWRC بشكل متماسك من التوترات الفارغة إلى التوترات العالية حتى بعد نقطة الذبول. ثم يتم إنشاء منحنيات SWRC والتوصيل الهيدروليكي بناء على نقاط بيانات الجهد المتري التي تم التقاطها طوال فترة القياس ، مما يسمح بإنشاء منحنى كامل متوقع من التشبع إلى نقطة الذبول الدائمة.

تقدم الطريقة الموضحة هنا إجراء تشغيل موجز لتحليل التربة باستخدام أداة الخاصية الهيدروليكية. تم إجراء هذه الطريقة في عدد من البيئات العلمية ، بما في ذلك القياس الكمي لصحة التربة في مجموعة واسعة من النظم الإيكولوجية الزراعية³^،¹⁷^،¹⁸^،¹⁹ ، وقد بذلت جهود لفهم أفضل الممارسات خارج دليل مستخدم الأداة²⁰. هنا ، يتم تحديد بروتوكول موحد لجميع خطوات الإجراء ، بما في ذلك أخذ العينات الميدانية وإعداد العينة ووظيفة البرنامج ومعالجة البيانات. سيضمن اتباع هذه الطريقة حملة ناجحة تؤدي إلى بيانات موثوقة. يتم تقديم خطوات حاسمة لضمان جودة البيانات والتحديات المشتركة وأفضل الممارسات لضمان التنفيذ السليم.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. أخذ عينات التربة وإعداد العينة

ملاحظة: يمكن العثور على رسم تخطيطي لسير عمل هذه الطريقة في الشكل 1.

جمع العينات
1. احفر السنتيمترات القليلة العلوية فوق عمق أخذ العينات المطلوب لإزالة الحطام غير المرغوب فيه ، وخاصة القمامة العضوية السائبة وتقشر سطح التربة.
2. ضع مستوى قلب أخذ العينات المعدنية على سطح التربة المكشوفة ، بحيث يكون جانب الحافة الحاد مواجها لسطح التربة ؛ ثم ضع حامل المطرقة أعلى الحلقة.
3. اضغط على الجزء العلوي من حامل المطرقة بشكل متكرر باستخدام مطرقة مطاطية حتى يتماشى الجزء العلوي من قلب أخذ العينات المعدنية مع سطح التربة.
4. حفر حول قلب أخذ العينات المعدنية ؛ ثم احفر تحت اللب لإزالته من التربة.
5. قم بتسوية جانبي قلب أخذ العينات المعدنية بمجرفة أو سكين بمجرد إزالتها من التربة ؛ ثم ضع أغطية بلاستيكية على جانبي القلب.
6. أضف عينة من الملصق إلى اللب المعدني.
تخزين العينات واستخدامها
1. قم بتخزين العينات في ثلاجة بحوالي 4 ^درجاتمئوية قبل التحليل.
2. قم بتشبع العينات قبل 24 ساعة على الأقل من التحليل عن طريق وضع قلب العينة في وعاء بلاستيكي كبير به ماء منزوع الأيونات منزوع الغاز. أولا ، قم بإزالة الغطاء البلاستيكي الموجود على جانب الحافة المسطحة لقلب أخذ العينات المعدنية وضع مرشح قهوة ورقي في الأعلى ، متبوعا بلوحة تشبع. بعد ذلك ، اقلب اللب ولوحة التشبع في الحاوية واملأها بالماء منزوع الأيونات منزوع الغاز في حدود 1 سم من الجزء العلوي من عينة التربة. أعد ملء الحاوية بالماء منزوع الأيونات منزوع الغازات حسب الحاجة حتى تصل التربة إلى التشبع.
  ملاحظة: يحدث التشبع عندما يكون الماء مرئيا على السطح المكشوف للتربة.

2. وحدة الاستشعار وإنشاء مقياس الشد

تحضير مقياس الشد
1. انقع مقاييس الشد لمدة 24 ساعة في ماء منزوع الأيونات منزوع الغاز: مقياس شد طويل (طول 50 مم) ومقياس شد قصير (25 مم) لكل وحدة استشعار سيتم استخدامها في حملة التحليل.
2. أغلق الحاوية التي تحمل مقاييس الشد للحد من انتشار الغلاف الجوي في الماء.
تفريغ وحدة الاستشعار بطريقة مضخة التفريغ
ملاحظة: أكمل الخطوات التالية لكل وحدة استشعار سيتم استخدامها في الحملة.
1. املأ كلا منفذي عمود مقياس الشد بالماء منزوع الأيونات منزوع الغاز إلى الجزء العلوي من المنفذ باستخدام حقنة سعة 20 مل وإبرة ذات طرف رفيع. تأكد من نظافة محول الضغط عن طريق تسليط ضوء في المنفذ وتقييم ما إذا كان هناك حطام.
2. ضع الجزء العلوي من الأكريليك على وحدة المستشعر واربط المشابك المعدنية. أدخل المحقنة التي تحتوي على ماء منزوع الأيونات منزوع الغازات في فتحة الجزء العلوي من الأكريليك واملأها أسفل رأس الأكريليك مباشرة.
3. قم بتوصيل الجزء العلوي من الأكريليك بوحدة التفريغ عن طريق إدخال الأنبوب "T" على وحدة التفريغ إلى الجزء العلوي من رأس الأكريليك.
  ملاحظة: يمكن توصيل وحدتي استشعار مع أسطح أكريليك بكل وحدة تفريغ.
إعادة تعبئة مقياس الشد
1. ضع كوبا مثبتا على المسرح في كلا الموضعين المتاحين على وحدة التفريغ ، ثم املأ 3/4 الكوب بالماء منزوع الأيونات منزوع الغاز.
2. قم بربط مقاييس الشد في حاملات الأكريليك الملولبة ؛ ثم حرك الحلقة O السوداء لتلتقي بالجزء العلوي من حامل الأكريليك. ضعها في الماء منزوع الأيونات منزوع الغاز الموجود داخل الأكواب المثبتة على المرحلة.
ابدأ التفريغ بالفراغ
1. تأكد من توصيل جميع التوصيلات بإحكام لمنع التسرب.
2. قم بتشغيل مضخة التفريغ حتى يتم الوصول إلى -0.4 بار ؛ ثم قم بإيقاف تشغيل مضخة التفريغ واترك النظام يتساوى. قم بتشغيل مضخة التفريغ مرة أخرى حتى يتم الوصول إلى -0.8 بار.
3. اضغط على الجزء السفلي من مجموعة وحدة المستشعر على منشفة سميكة لإزالة فقاعات الهواء من منافذ مقياس الشد في وحدة المستشعر.
4. احتفظ بالنظام تحت الفراغ لمدة 24 ساعة على الأقل. تحقق من عدم وجود تسرب عن طريق إيقاف تشغيل المكنسة الكهربائية والتأكد من بقائها في الضغط. قم بتشغيل مضخة التفريغ على فترات منتظمة لضغط الفراغ ، لأنه سيفقد الضغط ببطء مع معادلة النظام.
5. بعد 24 ساعة ، قم بإزالة الأنبوب من أعلى الأكريليك ، وقم بإزالة جميع مقاييس الشد من حاملات الأكريليك. ضع مقاييس الشد القصيرة والطويلة في أكواب منفصلة من الماء منزوع الأيونات منزوع الغاز.

3. بدء حملة

تحضير وحدات الاستشعار
1. قم بتوصيل مجموعة وحدة المستشعر بأسلاك توصيل النظام.
2. ضع مادة ماصة مثل منشفة أسفل وحدة الاستشعار المتصلة وقم بإزالة الجزء العلوي من الأكريليك عن طريق تحرير المشابك المعدنية.
3. كرر الخطوتين 3.1.1 و 3.1.2 لكل مجموعة وحدة استشعار لإعداد أجهزة استشعار متعددة، أو تابع إلى 3.A.iv لإعداد مستشعر واحد.
4. انقر فوق برنامج قياس البيانات لفتح البرنامج وانقر فوق أيقونة إظهار الأجهزة .
5. تأكد من ظهور جميع وحدات المستشعر المتصلة في الشريط الجانبي للبرنامج.
تركيب مقياس الشد
1. انقر فوق أيقونة معالج إعادة التعبئة في الجزء العلوي من البرنامج لفتح واجهة المستخدم. من القائمة المنسدلة، انتقل إلى وحدة الاستشعار المناسبة.
  ملاحظة: تكون محولات الطاقة في حالة عمل جيدة إذا كانت قراءاتها الأولية 0 هيكتوباسكال (± 5 هيكتوباسكال).
2. حدد مقياس الشد من الدرق. تأكد من عدم وجود فقاعات هواء مرئية في العمود ، وأن هناك ماء يتشكل فوق الجزء العلوي من عمود مقياس الشد في الغضروف المفصلي المحدب. أضف المزيد من الماء منزوع الأيونات منزوع الغاز باستخدام حقنة إلى الجزء العلوي من مقياس الشد إذا لم يكن هناك غضروف محدب.
3. حرك الحلقة O السوداء على مقياس الشد إلى وسط الخيوط.
4. اقلب مقياس الشد في المياه الراكدة الموجودة في وحدة المستشعر مع الحفاظ على الغضروف المفصلي المحدب سليما.
5. قم بتثبيت مقياس الشد القصير في منفذ مقياس الشد المشار إليه بخط قصير. قم بتثبيت مقياس الشد الطويل في منفذ مقياس الشد المشار إليه بخط طويل.
6. قم بربط مقياس الشد بعناية في منفذ مقياس الشد أثناء مشاهدة قراءات الضغط في علامة التبويب القراءات الحالية . احصل على ختم محكم عن طريق القيام بتدوير نصف إلى كامل لمقياس الشد.
  ملاحظة: بعد التثبيت على منفذ مقياس الشد ، تأكد من أن قراءات مقياس الشد هي 0 hPa (± 5 hPa).
7. ضع لمبة سيليكون مملوءة بالماء منزوع الأيونات منزوع الغازات في الجزء العلوي من مقياس الشد لمنع جفاف الطرف أثناء تركيب مقاييس الشد الأخرى.
8. كرر الخطوات من 3.2.1 إلى 3.2.7 لكل مقياس شد ووحدة استشعار مستخدمة في الحملة.
وضع العينة على وحدات الاستشعار
1. قم بإزالة عينة مشبعة ولوحة التشبع المقابلة من حاوية الماء منزوع الأيونات منزوع الغاز وضعها على سطح عمل.
2. ضع دليل المثقاب أعلى حلقة العينة.
3. أدخل مثقاب عمود الشد في فتحة دليل المثقاب وأدر مثقاب عمود الشد في دوران كامل لإزالة التربة. كرر للثقب الثاني.
  ملاحظة: تتبع العمق الذي تصنعه كل حفرة في عينة التربة لأنها تتوافق مع ارتفاع مقياس الشد.
4. قم بإزالة دليل المثقاب وتأكد من أن عينة التربة لم تنهار في الحفرة.
5. قم بإزالة بصيلات السيليكون الموجودة على كل مقياس شد وضع قرص السيليكون أعلى وحدة المستشعر.
  ملاحظة: تأكد من عدم احتجاز أي هواء تحت قرص السيليكون ، ومن عدم تغطية مستشعر درجة الحرارة.
6. قم بمحاذاة الثقوب الموجودة في قلب العينة مع ارتفاع مقياس الشد المقابل على وحدة المستشعر.
7. اقلب قلب العينة وضعه أعلى وحدة الاستشعار ، وقم بتركيب العينة على مقاييس الشد.
8. قم بإزالة فلتر القهوة ولوحة التشبع. قم بتأمين قلب التربة بمشابك معدنية موجودة على جانب وحدة المستشعر.
9. كرر الخطوات من 3.3.1 إلى 3.3.8 لكل عينة.
بدء حملة النظام
1. بمجرد إعداد كل وحدة استشعار ، أدخل تعريف العينة الموجود على قلب المعدن لأنه يتوافق مع كل رقم من الأرقام التسلسلية لوحدة المستشعر. أدخل اسما فريدا للحملة الميدانية، انقر فوق استعراض لحفظ موقع الملف.
2. انقر فوق ابدأ.
3. خذ قراءة الوزن الأولية بعد اكتمال قراءتين لمقياس التر. أولا ، افصل سلك التوصيل من وحدة المستشعر ، وانتظر حتى يظهر مربع حوار على البرنامج ، وضعه على ميزان الوزن. قم بإزالة وحدة المستشعر بمجرد أن يشير البرنامج إلى أخذ قراءة الوزن وأعد توصيلها بسلك التوصيل. كرر ذلك لجميع وحدات الاستشعار.
4. وزن العينات 3 مرات في اليوم لأول يومين من القياس، ثم مرتين يوميا على فترات منتظمة لبقية الحملة

4. إنهاء حملة النظام

إنهاء البرنامج
1. قم بإجراء قياس نهائي للوزن لكل وحدة استشعار بمجرد وصول العينة إلى نقطة دخول الهواء.
2. انقر فوق إيقاف وافصل سلك التوصيل من كل وحدة استشعار.
تفكيك الحملة
1. قم بإزالة قلب العينة من وحدة المستشعر. ضع جميع مواد التربة في وعاء ، وجفف عينة التربة في الفرن.
  ملاحظة: إذا كنت تعمل مع تربة ناعمة القوام ، فقم بترطيب كل عينة تربة في غضون ساعة قبل إزالتها من وحدة المستشعر.
2. قم بإزالة قرص السيليكون وتنظيف الجزء العلوي من وحدة المستشعر بمنشفة مبللة إذا لزم الأمر.
3. قم بإزالة كل مقياس شد بعناية من الفتحات. نظف أطراف مقاييس الشد بفرشاة أسنان ناعمة ذات شعيرات وماء إذا كانت متسخة.
4. قم بتنظيف سطح وحدة المستشعر عن طريق قلب الوحدة ورش الماء من زجاجة غسيل آمنة.
5. قم بتنظيف منفذ عمود مقياس الشد عن طريق قلب وحدة المستشعر ورش الماء بحقنة في المنفذ.

5. تحليل البيانات

احصل على وزن التربة الجاف لكل عينة واللب المعدني المقابل.
انقر فوق برنامج تحليل البيانات لفتح البرنامج وانقر فوق نموذج ملف لفتح البيانات في البرنامج. أدخل وزن اللب المعدني في قسم المعلمة في علامة التبويب معلومات .
انقر فوق علامة التبويب القياسات | ابحث عن نقطة دخول الهواء. لضبط نقطة التجويف ، حرك الخطوط المنقطة لنقطتي البداية والتوقف في نطاق بيانات مقياس التر. افعل الشيء نفسه مع نقاط دخول الهواء إذا كانت بحاجة إلى تحديدها للبرنامج.
انقر فوق علامة التبويب "التقييم" ، وضمن "حساب محتويات الماء" ، تأكد من تحديد من وزن التربة الجافة (g ). أدخل وزن التربة المجففة.
انقر فوق علامة التبويب التركيب | تطبيق النموذج الذي يناسب البيانات.
انقر فوق علامة التبويب "تصدير " ، واختر مسار ملف ، وتأكد من تصدير الملف بتنسيق .xlxs.
كرر الخطوات من 5.1 إلى 5.7 لكل عينة تربة.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

عند الانتهاء من حملة القياس المناسبة باتباع البروتوكول أعلاه ، سيكون من الممكن عرض مخرجات بيانات التجربة في برنامج التحليل. تنشأ منحنيات الإخراج من قراءات مقياس الشد التي تقيس توتر الماء (hPa) بمرور الوقت (t) ، ويتم إنشاء المنحنى الأولي لهذه البيانات مباشرة بعد إنهاء الحملة. يمكن فحص أمثلة مختارة لمنحنيات التوتر لعينتين من التربة لتوضيح النتائج المثلى ودون المستوى الأمثل (الشكل 2). يجب أن تحتوي النتائج المثلى على منحنى إخراج يحتوي على تجويف واضح ونقطة دخول هواء ، وذلك على أفضل وجه لإبلاغ SWRC. إذا لم يكن هناك تجويف واضح ونقطة دخول الهواء ، فلا يزال من الممكن استخدام البيانات ولكن SWRC تصبح أقل دقة ويلزم المزيد من المعالجة اللاحقة داخل البرنامج.

يحتوي برنامج التحليل على نماذج متعددة يمكن للمستخدمين استخدامها لتحليل قياسات التوتر²¹^،²²^،²³^،²⁴. في معظم الحالات ، يعد نموذج van Genutchen / Mualem خيارا فعالا للبيانات. ومع ذلك ، يتوفر للمستخدمين خيار تحديد النموذج الذي يناسب بياناتهم¹⁵. ثم يطبق البرنامج هذا النموذج على منحنى التوتر ، وتصبح المنحنيات النموذجية متاحة في علامة تبويب الإخراج . يتم إنشاء كل من احتباس الماء ، θ (h) ، والتوصيل الهيدروليكي غير المشبع K (h) أو K (θ) بواسطة برنامج النمذجة ، حيث θ هو المحتوى المائي الحجمي ، K التوصيل الهيدروليكي ، و h الجهد المتري¹⁴. يمكن رؤية مثال تمثيلي لإخراج بيانات SWRC والتوصيل الهيدروليكي في الشكل 3. يمكن رؤية بيانات الإخراج التي تتناسب مع نموذج van Genutchen / Maulem في الشكل 4.

يعلم منحنى الإخراج الناتج منحنيات الإخراج النموذجية التي تشكل أساس العديد من البيانات الوصفية والهيدروليكية للتربة. بشكل أساسي ، يتم إنشاء SWRC من البيانات الأولية من هذه الطريقة ، ولكن يمكن استقراء معلمات أخرى مثل المسامية والكثافة الظاهرية ومحتوى الماء المشبع والقدرة الميدانية لتربة العينة من هذه البيانات. يمكن مقارنة النتائج (الشكل 4) لفهم خصائص التربة الموجودة ومقارنتها عبر العلاجات.

figure-results-1
الشكل 1: نظرة عامة على سير العمل. يعد تحضير كل من عينة التربة وأداة الخاصية الهيدروليكية ضروريا لتنفيذ البروتوكول. تشير الأسهم إلى تسلسل سير العمل، بدءا من إعداد العينة والأدوات وتنتهي بتحليل البيانات والمعالجة اللاحقة للعينة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2: أمثلة على منحنيات التوتر المثلى ودون المستوى الأمثل. (أ) المنحنى الأمثل: يحدث القياس المنتظم ، ويتم الوصول إلى التجويف ، وينخفض التوتر في عمود مقياس الشد فجأة إلى الضغط المحيط. يحدث دخول الهواء عند ~ 700 hPa لكلا المنحنيين ، ويتم إيقاف القياسات بعد فترة وجيزة. (ب) منحنى دون المستوى الأمثل: يحدث القياس المنتظم ويتم الوصول إلى التجويف ، لكن التوتر في عمود مقياس الشد لا ينخفض فجأة ويصعب تمييز المكان الذي بدأت فيه مرحلة دخول الهواء. لا يزال بإمكان هذا المنحنى إبلاغ منحنى احتباس مياه التربة باستخدام الضبط اليدوي أثناء المعالجة اللاحقة للبيانات ، ولكنه أقل دقة من (A). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 3: منحنيات الإخراج من البرنامج. منحنيات الاحتفاظ بمياه التربة والتوصيل الهيدروليكي كما هو موضح في البرنامج قبل تطبيق أي نموذج. (أ) منحنى احتباس مياه التربة ، و (ب ، ج) منحنيات التوصيل الهيدروليكي كما تظهر في برنامج التحليل بمجرد اكتمال تحليل العينة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الشكل 4: منحنيات الإخراج مع النموذج المطبق. الشكل 4 يمكن أن تكون بيانات الإخراج مناسبة لنموذج داخل برنامج الأداة. هنا يتم عرض البيانات النموذجية. (أ) منحنى الاحتفاظ بالمياه في التربة ، و (B ، C) منحنيات التوصيل الهيدروليكي مع نموذج van Genuchten-Mualem المطبق على البيانات. جذر متوسط الخطأ التربيعي (أ) 0.4٪ ، (ب) 7.09٪. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعد نهج تجربة التبخر البسيط باستخدام الطريقة الموضحة هنا وسيلة فعالة لتطوير منحنيات SWRC والتوصيل الهيدروليكي. بساطة ودقة قياس البيانات تجعله بديلا قابلا للتطبيق للطرق التقليدية¹⁴. تتجاوز الطريقة الموضحة هنا دليل المستخدم والأدبيات الحالية لتجميع وتوسيع النقاط الدقيقة لهذه الأداة المعقدة. يجب إيلاء اهتمام خاص لعمليات جمع عينات التربة ونقلها وتحليلها لتوليد بيانات عالية الجودة. عند أخذ عينة ، يجب أن تظل التربة داخل اللب المعدني دون إزعاج. يجب أن يظل اللب المعدني مستويا طوال عملية الطرق لتجنب الاهتزازات أو الإمالة التي يمكن أن تزعج التربة ، ويتم التعامل مع العينة بعناية أثناء النقل.

بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري الحد بدقة من كمية الهواء التي تدخل كل جزء من نظام الأجهزة. من المحتمل أن يتم تقليل منحنيات توتر الإخراج في دقتها إذا تم إدخال الهواء عن غير قصد. هناك العديد من الخطوات خلال تجميع وتنفيذ هذه الطريقة التي تتجاوز توصيات الشركة المصنعة بهدف القضاء على فرصة دخول الهواء إلى النظام. تشمل هذه الفروق الدقيقة استخدام المياه المنزوعة من الغاز ، وإجراء إعادة تعبئة مقياس الشد المعدل ، وإعادة الاستخدام المستمر للمياه في تشبع عينة التربة. من الضروري التأكد من أن أي مياه مستخدمة في التجربة قد تم تفريغها بشكل صحيح ، وإعادة تعبئة مقاييس الشد بشكل صحيح ، وأن منافذ مقياس الشد في وحدة المستشعر لا تحتوي على فقاعات أو جيوب هوائية بداخلها. هذه نقاط مهمة يجب مراعاتها بجد في البروتوكول لتمكين نجاح الحملة.

تكتمل حملة القياس بعد التجويف عند الوصول إلى نقطة دخول الهواء. سيظهر هذا كذروة حادة تليها قراءات التوتر تنخفض بسرعة إلى الصفر لكل من مقياسي الشد على منحنى القياس ، كما هو موضح في الشكل 2. بعد فترة القياس وأثناء تحليل البيانات ، يمكن إجراء تعديلات المستخدم لزيادة دقة بيانات الإخراج. على سبيل المثال ، داخل برنامج معالجة البيانات ، يمكن ضبط نقاط البدء والإيقاف ودخول الهواء يدويا وفقا للفحص البصري وتقدير المستخدم إذا كانت هناك مشكلات واضحة في منحنى التوتر. قد تكون هناك تقلبات كبيرة في بداية حملة القياس حيث تبدأ مقاييس الشد في أخذ القراءات ، ولم يبدأ تبخر الماء بعد. يمكن إزالة ضوضاء البيانات هذه بسهولة في مرحلة ما بعد المعالجة عن طريق تحريك خط البداية إلى اليمين في واجهة البرنامج. علاوة على ذلك ، إذا كانت قراءات مقياس الشد للتجويف لها هضبة بدلا من ذروة حادة ، فقد يكون من الصعب على البرنامج تمييز مكان بدء التجويف وانتهائه تلقائيا. يمكن معالجة هذا التحدي عن طريق تحريك كل من خط التوقف العلوي والتوقف السفلي لقياس نقاط المواقع التي تلتقط تغييرا واسعا بما يكفي في المنحدر للإشارة إلى التجويف. وبالمثل ، يمكن ضبط نقاط دخول الهواء بطريقة مماثلة ، حيث يمكن نقلها إلى نهاية جزء الهضبة من المنحنى ، مما يضمن أن الجزء المناسب من مجال البيانات يتم التقاطه بواسطة البرنامج.

يمكن أن يؤدي عدد أقل من نقاط البيانات نحو النطاق الجاف ل SWRC الذي تم إنشاؤه من أداة الخاصية الهيدروليكية إلى حدوث عدم دقة عند تطبيق النماذج على البيانات. ويمكن تعزيز هذا الوضع من خلال دمج مصادر أخرى للبيانات تغطي النطاق الجاف لاحتباس الماء. يمكن استكمال نقاط البيانات الإضافية عن طريق تحليل عينات التربة نفسها باستخدام أداة إمكانات مياه التربة ثم إدخال هذه النقاط يدويا في برنامج التحليل. تزيد البيانات الإضافية من صحة التقديرات في النطاق الجاف وهي سهلة الاستخدام نسبيا. يمكن أن يصبح الجمع بين البيانات من كلا الأداتين ذا قيمة إذا كان هدف البحث يتعلق بالنطاق الكامل للاحتفاظ برطوبة التربة. يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول تشغيل أداة إمكانات مياه التربة ، وقابلية تطبيق هذه القياسات ، والتكامل مع أداة الخاصية الهيدروليكية في الأدبيات الموجودة²^،¹⁶^،¹⁷^،²⁵.

توفر منحنيات الاحتفاظ بمياه التربة والتوصيل الهيدروليكي توصيفا مهما للخصائص الهيدروليكية الفيزيائية وغير المشبعة لعينة التربة. في جميع التخصصات في العلوم البيئية والزراعية والتربة ، يمكن لممارسات إدارة الأراضي التي تغير الخصائص الفيزيائية والهيدروليكية للتربة أن يكون لها تأثير دائم على صحة^{التربة 3}^،¹⁷. يمكن أن يساعد القياس الكمي لمقاييس ومؤشرات التربة في أبحاث التربة ورصدها في خلق وعي أفضل بالآثار الحقيقية لممارسات الإدارة المتناقضة على التربة. إن فهم الخصائص مثل القدرة الميدانية والمياه المتاحة للنبات وتوزيع حجم المسام والتوصيل المائي يزيد من استنتاج مستنير حول ممارسات إدارة التربة المفضلة لصحة^{التربة 26}. يمكن أن تساهم زيادة استخدام الأساليب القوية كما هو موضح هنا في تعميق ومواءمة مجموعة موحدة من المعرفة فيما يتعلق بالآثار البالغة للخيارات المتناقضة لإدارة التربة عبر مجموعة واسعة من أنظمة الأراضي.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإفصاح عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقر المؤلفون بامتنان بالدعم المالي المقدم من المؤسسة الكندية للابتكار (صندوق جون إيفانز للقيادة) في اقتناء أداة محلل الممتلكات الهيدروليكية.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
4 لتر قوارير Buchner (اثنان) حاويات	مختلفة	غير	لتفريغ المياه
20 مل حقنة ، طرف رفيع	BD	BD-302830
فلتر قهوة	مختلف	n / a	يمنع انتقال التربة خارج اللب أثناء نقع
مجموعة HYPROP الكاملة	Hoskin	110813 / E240-M020210	مثقاب عمود الشد ، أنبوب لحقنة الفراغ ومحول إعادة التعبئة ، دليل المثقاب ، محول HYPROP USB ، وحدة مستشعر HYPROP ، أعمدة مقياس الشد (50 مم و 25 مم) ، لوحة التشبع ، محول إعادة التعبئة ، حشية السيليكون ، مجموعة من الحلقات o ، توازن LABROS ، البرمجيات ، الكابلات
وحدة إعادة التعبئة HYPROP	مضخة	Hoskin 108899 / E240-M020258	، حامل فراغ ، حامل دورق ، محولات إعادة تعبئة
أحواض بلاستيكية كبيرة	مختلفة	N / a	يحمل نوى الماء والتربة أثناء التشبع حامل
المطرقة	METER Hoskin	100255 / E240-100201
مطرقة	مطاطية هوم ديبوت	18CT1031	أداة جمع العينات المستخدمة مع حامل المطرقة
مجرفة	هوم ديبوت	83200
حلقة أخذ عينات التربة بما في ذلك 2 قبعات	Hoskin	100254 / E240-100101
لوحة التحريك / شريط التحريك	مختلف	N / A
مجرفة	هوم ديبوت	91365

متوفرة تفريغ

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Malaya, C., Sreedeep, S. Critical review on the parameters influencing soil-water characteristic curve. J Irrig Drain Eng. 138 (1), 55-62 (2011).
Schelle, H., Heise, L., Jänicke, K., Durner, W. Water retention characteristics of soils over the whole moisture range: A comparison of laboratory methods. Eur J Soil Sci. 64 (6), 814-821 (2013).
Iheshiulo, E. M. A., et al. Crop rotations influence soil hydraulic and physical quality under no-till on the Canadian prairies. Agric Ecosyst Environ. 361, 108820(2024).
Mozaffari, H., Moosavi, A. A., Sepaskhah, A., Cornelis, W. Long-term effects of land use type and management on sorptivity, macroscopic capillary length and water-conducting porosity of calcareous soils. Arid Land Res Manag. 36 (4), 371-397 (2022).
Rezaei, M., et al. How to relevantly characterize hydraulic properties of saline and sodic soils for water and solute transport simulations. J Hydrol. 598, 125777(2021).
Kiani, M., Hernandez-Ramirez, G., Quideau, S. Spatial variation of soil quality indicators as a function of land use and topography. Can J Soil Sci. 100 (4), 463-478 (2020).
Ghezzehei, T. A., Sulman, B., Arnold, C. L., Bogie, N. A., Berhe, A. A. On the role of soil water retention characteristic on aerobic microbial respiration. BG. 16 (6), 1187-1209 (2019).
Mapa, R. B., Green, R. E., Santo, L. Temporal variability of soil hydraulic properties with wetting and drying subsequent to tillage. SSSAJ. 50 (5), 1133-1138 (1986).
Parker, N., Patrignani, A. Revisiting laboratory methods for measuring soil water retention curves. SSSAJ. 87 (2), 417-424 (2023).
Solone, R., Bittelli, M., Tomei, F., Morari, F. Errors in water retention curves determined with pressure plates: Effects on the soil water balance. J Hydrol. 470, 65-74 (2012).
Cresswell, H. P., Green, T. W., McKenzie, N. J. The adequacy of pressure plate apparatus for determining soil water retention. SSSAJ. 72 (1), 41-49 (2008).
Wind, G. Capillary conductivity data estimated by a simple method. , IAHS, Gentbrugge, Netherlands and UNESCO. Paris. (1968).
Schindler, U. Ein Schnellverfahren zur Messung der Wasser-leitfähigkeit im teilgesättigten Boden an Stechzylinderproben.Arch. Acker- Pflanzenbau Bodenkd. 24, 1-7 (1980).
Peters, A., Durner, W. Simplified Evaporation Method for Determining Soil Hydraulic Properties. J Hydrol. 356, 147-162 (2008).
METER Operation Manual HYPROP 2, METER Group AG, Munich, Germany. , http://library.metergroup.com/Manuals/18263_HYPROP_Manual_Web.pdf (2015).
Lipovetsky, T., et al. HYPROP measurements of the unsaturated hydraulic properties of a carbonate rock sample. J Hydrol. 591, (2020).
Daly, E. J., Kim, K., Hernandez-Ramirez, G., Klimchuk, K. The response of soil physical quality parameters to a perennial grain crop. Agric Ecosyst Environ. 343, 108265(2023).
Guenette, K. G., Hernandez-Ramirez, G. Tracking the influence of controlled traffic regimes on field scale soil variability and geospatial modelling techniques. Geoderma. 328, 66-78 (2018).
Hebb, C., et al. Soil physical quality varies among contrasting land uses in Northern Prairie regions. Agric Ecosyst Environ. 240, 14-23 (2017).
Shokrana, M. S. B., Ghane, E. Measurement of soil water characteristic curve using HYPROP2. MethodsX. 7, 100840(2020).
Brooks, R. H. Hydraulic properties of porous media. , Colorado State University. (1965).
Kosugi, K. I. Lognormal distribution model for unsaturated soil hydraulic properties. Water Resour Res. 32 (9), 2697-2703 (1996).
Fredlund, D. G., Xing, A. Equations for the soil-water characteristic curve. Can Geotech J. 31 (4), 521-532 (1994).
van Genuchten, M. T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. SSSAJ. 44, 892-898 (1980).
Schindler, U., Durner, W., von Unhold, G., Müller, L. Evaporation method for measuring unsaturated hydraulic properties of soils: Extending the measurement range. SSSAJ. 74 (4), 1071-1083 (2010).
Bagnall, D. K., et al. Selecting soil hydraulic properties as indicators of soil health: Measurement response to management and site characteristics. SSSAJ. 86 (5), 1206-1226 (2022).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

قياسات إمكانات مياه التربة والتوصيلية بناء على تجربة تبخر بسيطة باستخدام محلل الخصائص الهيدروليكية

في هذه المقالة

ملخص

الملخص

المقدمة

البروتوكول

النتائج

المناقشة

الإفصاحات

شكر وتقدير

المواد

المراجع

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

مقالات ذات صلة