Messungen des Bodenwasserpotentials und der Leitfähigkeit auf der Grundlage eines einfachen Verdunstungsexperiments mit einem hydraulischen Eigenschaftsanalysator

Zusammenfassung

Dieser Artikel enthält ein einfaches Verdunstungsexperiment mit einem hydraulischen Eigenschaftsmessgerät für eine Bodenprobe. Mit effizienten Mitteln können Messungen über eine Reihe von Tagen durchgeführt werden, um qualitativ hochwertige Daten zu generieren.

Zusammenfassung

Die Messung der hydraulischen Eigenschaften des Bodens ist entscheidend für das Verständnis der physikalischen Komponenten der Bodengesundheit sowie für das integrierte Wissen über Bodensysteme unter verschiedenen Bewirtschaftungspraktiken. Das Sammeln zuverlässiger Daten ist unerlässlich, um Entscheidungen zu treffen, die sich auf Landwirtschaft und Umwelt auswirken. Das hier beschriebene einfache Verdunstungsexperiment verwendet Instrumente in einer Laborumgebung, um Bodenproben zu analysieren, die im Feld gesammelt wurden. Die Bodenwasserspannung der Probe wird mit dem Gerät gemessen, und die Spannungsdaten werden von der Software modelliert, um die hydraulischen Eigenschaften des Bodens zurückzugeben. Diese Methode kann verwendet werden, um die Wasserretention und die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens zu messen und Einblicke in Unterschiede in der Behandlung oder Umweltdynamik im Laufe der Zeit zu geben. Für die Ersteinrichtung ist ein Benutzer erforderlich, aber die Datenerfassung wird mit dem Gerät automatisiert. Die hydraulischen Eigenschaften des Bodens lassen sich mit herkömmlichen Experimenten nicht einfach messen, und dieses Protokoll bietet eine einfache und optimale Alternative. Die Interpretation der Ergebnisse und Optionen zur Erweiterung des Datenbereichs werden diskutiert.

Einleitung

Die Wasserrückhaltung des Bodens und die hydraulische Leitfähigkeit in natürlichen und vom Menschen veränderten Umgebungen helfen uns, Veränderungen der Bodengesundheit und -funktionalität zu verstehen und zu beobachten. Die Quantifizierung der hydraulischen Eigenschaften anhand der Bodenwasserrückhaltekurve (SWRC) und der Bodenwasserleitfähigkeitskurve bietet Einblicke in die wichtigsten Faktoren des physikalischen Bodenverhaltens und der Charakterisierung von Wasserbewegungen¹. Die Beziehung zwischen dem volumetrischen Wassergehalt (θ) und der Matrizenhöhe (h) wird in einem SWRC dargestellt, und die Bereiche innerhalb der Kurve beschreiben den Sättigungspunkt, die Feldkapazität und den permanenten Welkepunkt². Bodenbewirtschaftungspraktiken, Änderungen, Arten von Agrarökosystemen und Umweltbedingungen können sich auf die Bodenhydraulik auswirken ^3,4. Diese Faktoren können wiederum den Transport gelöster Stoffe⁵ und das verfügbare Wasser^{der Pflanzen 6}, die Bodenatmung und die mikrobielle Aktivität⁷ sowie die Benetzungs- und Trocknungszyklen⁸ beeinflussen. Als wichtiger Bestandteil bei der Quantifizierung gesunder und funktionierender Böden ist eine ordnungsgemäße Analyse des SWRC unerlässlich, um ein fundiertes Verständnis der hydraulischen Eigenschaften des Bodens zu erlangen.

Für die Entwicklung eines zuverlässigen SWRC gibt es derzeit eine Vielzahl von Messtechniken, wobei die Methoden der hängenden Wassersäule und der Druckplatte gängige traditionelle Ansätze zur Bestimmung der Porengrößenverteilung von Boden^{sind 2}. Herkömmliche Methoden können zeitaufwändig sein und in der Regel Wochen oder Monate dauern, um eine kleine Gruppe von Proben zu analysieren⁹. Darüber hinaus führen diese Methoden nach Abschluss der Analyse zu nur wenigen Datenpunkten, die das SWRC⁹ informieren. Darüber hinaus kann die Genauigkeit der Erzeugung repräsentativer Daten mit herkömmlichen Methoden wie Druckplatten bei niedrigeren Matric-Potentialen, insbesondere bei feinstrukturierten Böden, zu einem Problem werden^10,11. Modernere Techniken, die den einfachen Ansatz des Verdunstungsexperiments mit Tensiometern und die Taupunktmethode mit gekühlten Spiegeln beinhalten, liefern tendenziell reproduzierbarere Daten über ein breites Spektrum von Bodentexturen². Das einfache Verdunstungsexperiment, das ursprünglich 1968 von Wind entwickelt wurde, umfasste die Messung von Änderungen der Wassermasse und der Spannung durch Tensiometer in der Bodenprobe über die Zeit¹². Bei der Verdunstung werden in bestimmten Zeitintervallen Messungen der Bodenprobenmasse durchgeführt, um eine SWRC zu erstellen. Die Methode, die später von Schindler (1980) verfeinert wurde, umfasste nur zwei Tensiometer, die an unterschiedlichen Druckhöhen innerhalb der Bodenprobe platziert wurden. Die modifizierte Methode wurde dann getestet und als fähig für die wissenschaftliche Analyse validiert ^13,14. Ein wesentlicher Vorteil des einfachen Verdunstungsexperiments ist das Potenzial, auf einfache Weise Daten über einen großen Teil der Bodenfeuchtekurve (0 bis -300 kPa) mit mehr Datenpunkten als mit herkömmlichen Methoden zu erzeugen.

Bei diesen modernen Methoden handelt es sich um automatisierte Instrumente, die während des gesamten Analysezeitraums der Probe zahlreiche Datenpunkte erfassen und über eine Softwareschnittstelle Daten erzeugen. Das Instrument für hydraulische Eigenschaften ist ein modernes Instrument, das Wasserrückhaltekurven und Leitfähigkeitskurven aus Probendaten^{erstellt 15}. Mit Hilfe eines einfachen Verdunstungsexperiments mit dem hydraulischen Eigenschaftsmessgerät kann der Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Wasserpotenzial im Boden bewertet werden¹. In diesem Experiment befindet sich das im Tensiometerschacht vorhandene Wasser in einem Gleichgewicht mit dem Wasser in der Bodenlösung. Wenn die Verdunstung des Bodenwassers eintritt und die Bodenprobe trocknet, findet die Kavitation im Tensiometer statt und das Experiment endet. Es gibt eine Einschränkung des hydraulischen Eigenschaftsmessgeräts im Trockenbereich des SWRC, da das Gerät nur innerhalb von Matric-Potentialen von 0 bis -100 kPa arbeiten kann. Dies kann durch die Einbeziehung von Daten behoben werden, die mit einem Kaltspiegeltaupunktexperiment unter Verwendung eines Bodenwasserpotentialmessgeräts¹⁶ erzeugt wurden, wodurch der Datenbereich auf -300.000 kPa oder den dauerhaften Welkpunkt erweitert werden kann. Alle diese Daten werden in der Nachbearbeitung der Modellierungssoftware zusammengeführt, um das SWRC kohärent von Nullspannungen zu höheren Spannungen zu informieren, sogar über den Welkpunkt hinaus. Die SWRC- und hydraulischen Leitfähigkeitskurven werden dann auf der Grundlage von Matrizenpotentialdatenpunkten generiert, die während des gesamten Messzeitraums erfasst wurden, so dass eine vollständige Kurve von der Sättigung bis zum dauerhaften Welkpunkt erstellt werden kann.

Das hier beschriebene Verfahren stellt ein prägnantes Arbeitsverfahren für die Bodenanalyse mit einem hydraulischen Eigenschaftsmessgerät dar. Diese Methode wurde in einer Reihe von wissenschaftlichen Umgebungen durchgeführt, einschließlich der Quantifizierung der Bodengesundheit in einem breiten Spektrum von Agrarökosystemen 3,17,18,19, und es wurden Anstrengungen unternommen, um bewährte Verfahren zu verstehen, die über das Benutzerhandbuch^{des Instruments hinausgehen 20}. Hier wird ein standardisiertes Protokoll für alle Schritte des Verfahrens skizziert, einschließlich der Feldprobenahme, der Probenvorbereitung, der Softwarefunktion und der Datenverarbeitung. Wenn Sie diese Methode befolgen, wird eine erfolgreiche Kampagne sichergestellt, die zu zuverlässigen Daten führt. Kritische Schritte zur Sicherstellung der Datenqualität, häufige Herausforderungen und Best Practices werden vorgestellt, um eine ordnungsgemäße Implementierung zu gewährleisten.

Protokoll

1. Bodenprobenahme und Probenvorbereitung

HINWEIS: Ein schematisches Diagramm des Arbeitsablaufs dieser Methode finden Sie in Abbildung 1.

1. Musterkollektion
   1. Graben Sie die oberen Zentimeter oberhalb der gewünschten Probenahmetiefe aus, um unerwünschte Ablagerungen zu entfernen, insbesondere lose organische Abfälle und Krusten der Bodenoberfläche.
   2. Platzieren Sie den Metallprobenahmekern waagerecht auf der Oberfläche des freiliegenden Bodens, wobei die scharfe Kantenseite zur Bodenoberfläche zeigt. Setzen Sie dann den Hämmerhalter auf den Ring.
   3. Schlagen Sie mit einem Gummihammer wiederholt auf die Oberseite des Hämmerhalters, bis die Oberseite des Metallprobenahmekerns mit der Bodenoberfläche ausgerichtet ist.
   4. Graben Sie um den Metallprobenahmekern herum; Graben Sie dann unter dem Kern, um ihn aus der Erde zu entfernen.
   5. Nivellieren Sie beide Seiten des Metallprobenahmekerns mit einer Kelle oder einem Messer, sobald er aus dem Boden genommen wurde. Platzieren Sie dann Plastikabdeckungen auf beiden Seiten des Kerns.
   6. Fügen Sie dem Metallkern ein Probenetikett hinzu.
2. Lagerung und Verwendung von Proben
   1. Lagern Sie die Proben vor der Analyse in einem Kühlschrank mit einer Temperatur von ca. 4 ^°C.
   2. Sättigen Sie die Proben mindestens 24 Stunden vor der Analyse, indem Sie die Probenkerne in einen großen Kunststoffbehälter mit entgastem deionisiertem Wasser legen. Entfernen Sie zuerst die Kunststoffabdeckung, die sich auf der flachen Kantenseite des Metallprobenahmekerns befindet, und legen Sie einen Papierkaffeefilter darauf, gefolgt von einer Sättigungsplatte. Drehen Sie dann den Kern und die Sättigungsplatte in den Behälter um und füllen Sie ihn mit entgastem entionisiertem Wasser innerhalb von 1 cm von der Oberseite der Bodenprobe. Füllen Sie den Behälter bei Bedarf mit entgastem, entionisiertem Wasser auf, bis der Boden die Sättigung erreicht hat.
      HINWEIS: Eine Sättigung tritt auf, wenn Wasser auf der freiliegenden Oberfläche des Bodens sichtbar ist.

2. Einrichtung der Sensoreinheit und des Tensiometers

1. Vorbereitung des Tensiometers
   1. Weichen Sie die Tensiometer 24 Stunden lang in entgastem deionisiertem Wasser ein: ein hohes (50 mm Länge) und ein kurzes (25 mm) Tensiometer für jede Sensoreinheit, die in der Analysekampagne verwendet wird.
   2. Verschließen Sie den Behälter, in dem sich die Tensiometer befinden, um die Diffusion der Atmosphäre in das Wasser zu begrenzen.
2. Entgasung der Sensoreinheit mit der Vakuumpumpenmethode
   HINWEIS: Führen Sie die folgenden Schritte für jede Sensoreinheit aus, die in der Kampagne verwendet wird.
   1. Füllen Sie beide Öffnungen des Tensiometer-Schachts mit entgastem deionisiertem Wasser bis zum oberen Rand des Anschlusses mit einer 20-ml-Spritze und einer Feinnadel. Stellen Sie sicher, dass der Druckmessumformer sauber ist, indem Sie ein Licht in den Anschluss leuchten und beurteilen, ob Schmutz vorhanden ist.
   2. Setzen Sie die Acrylplatte auf die Sensoreinheit und befestigen Sie die Metallklammern. Führen Sie die Spritze mit entgastem deionisiertem Wasser in die Öffnung des Acrylkopfes ein und füllen Sie sie bis knapp unter die Oberseite des Acrylkopfes.
   3. Befestigen Sie die Acrylplatte an der Entgasungseinheit, indem Sie das T-Rohr an der Entgasungseinheit an der Oberseite des Acrylkopfes anbringen.
      HINWEIS: An jeder Entgasungseinheit können zwei Sensoreinheiten mit Acrylaufsätzen angebracht werden.
3. Nachfüllen von Tensiometern
   1. Stellen Sie einen auf der Bühne montierten Becher in beide verfügbaren Positionen der Entgasungseinheit und füllen Sie dann 3/4 des Bechers mit entgastem entionisiertem Wasser.
   2. Schrauben Sie die Tensiometer in die Acryl-Gewindehalter; Bewegen Sie dann den schwarzen O-Ring so, dass er auf die Oberseite des Acrylhalters trifft. In das entgaste deionisierte Wasser geben, das sich in den auf der Bühne montierten Bechern befindet.
4. Starten Sie die Vakuumentgasung
   1. Stellen Sie sicher, dass alle Anschlüsse fest angeschlossen sind, um ein Auslaufen zu vermeiden.
   2. Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, bis -0,4 Bar erreicht ist; Schalten Sie dann die Vakuumpumpe aus und lassen Sie das System ausgleichen. Schalten Sie die Vakuumpumpe wieder ein, bis -0,8 bar erreicht sind.
   3. Klopfen Sie mit der Unterseite der Sensoreinheit auf ein dickes Handtuch, um Luftblasen aus den Tensiometeranschlüssen in der Sensoreinheit zu entfernen.
   4. Halten Sie das System mindestens 24 Stunden lang unter Vakuum. Überprüfen Sie, ob es undicht ist, indem Sie das Vakuum ausschalten und sicherstellen, dass es auf Druck bleibt. Schalten Sie die Vakuumpumpe in regelmäßigen Abständen ein, um das Vakuum auf Druck zu bringen, da es langsam an Druck verliert, wenn sich das System ausgleicht.
   5. Entfernen Sie nach 24 h die Schläuche von der Acrylplatte und entfernen Sie alle Tensiometer aus den Acrylhaltern. Die kurzen und hohen Tensiometer werden in getrennte Bechergläser mit entgastem deionisiertem Wasser gelegt.

3. Initiieren einer Kampagne

1. Vorbereitung der Sensoreinheiten
   1. Stecken Sie die Sensoreinheit in die Anschlusskabel des Systems.
   2. Legen Sie ein saugfähiges Material, z. B. ein Handtuch, unter die angeschlossene Sensoreinheit und entfernen Sie die Acrylplatte, indem Sie die Metallklammern lösen.
   3. Wiederholen Sie die Schritte 3.1.1 und 3.1.2 für jede Sensoreinheit für eine Konfiguration mit mehreren Sensoren, oder fahren Sie mit 3.A.iv für eine Konfiguration mit einem einzelnen Sensor fort.
   4. Klicken Sie auf die Datenmesssoftware, um das Programm zu öffnen, und klicken Sie auf das Symbol Geräte anzeigen .
   5. Stellen Sie sicher, dass alle angeschlossenen Sensoreinheiten in der Seitenleiste der Software angezeigt werden.
2. Installation von Tensiometern
   1. Klicken Sie auf das Symbol des Nachfüllassistenten oben in der Software, um die Benutzeroberfläche zu öffnen. Navigieren Sie aus dem Dropdown-Menü zur entsprechenden Sensoreinheit.
      HINWEIS: Wandler sind in gutem Zustand, wenn ihre anfänglichen Messwerte 0 hPa (± 5 hPa) betragen.
   2. Wählen Sie ein Tensiometer aus dem Becherglas aus. Stellen Sie sicher, dass sich keine sichtbaren Luftblasen im Schacht befinden und dass sich Wasser über dem Tensiometerschaft in einem konvexen Meniskus bildet. Geben Sie mehr entgastes entionisiertes Wasser mit einer Spritze an die Oberseite des Tensiometers, wenn kein konvexer Meniskus vorhanden ist.
   3. Bewegen Sie den schwarzen O-Ring am Tensiometer in die Mitte der Gewinde.
   4. Drehen Sie das Tensiometer in das stehende Wasser auf der Sensoreinheit um, während der konvexe Meniskus intakt bleibt.
   5. Installieren Sie das kurze Tensiometer in den Tensiometeranschluss, der mit einer kurzen Linie gekennzeichnet ist. Installieren Sie das hohe Tensiometer in den Tensiometeranschluss, der mit einer langen Linie gekennzeichnet ist.
   6. Schrauben Sie das Tensiometer vorsichtig in den Anschluss des Tensiometers, während Sie die Druckmesswerte auf der Registerkarte "Aktuelle Messwerte" überwachen. Erzielen Sie eine dichte Abdichtung, indem Sie das Tensiometer halb bis vollständig drehen.
      HINWEIS: Stellen Sie nach der Installation am Tensiometeranschluss sicher, dass die Tensiometerwerte 0 hPa (± 5 hPa) betragen.
   7. Stellen Sie eine mit entgastem deionisiertem Wasser gefüllte Silikonbirne auf das Tensiometer, um ein Austrocknen der Spitze zu verhindern, während andere Tensiometer installiert werden.
   8. Wiederholen Sie die Schritte 3.2.1 bis 3.2.7 für jedes Tensiometer und jede Sensoreinheit, die in der Kampagne verwendet werden.
3. Probenplatzierung auf Sensoreinheiten
   1. Nehmen Sie eine gesättigte Probe und die entsprechende Sättigungsplatte aus dem Behälter mit entgastem deionisiertem Wasser und legen Sie sie auf eine Arbeitsfläche.
   2. Setzen Sie die Schneckenführung auf den Probenring.
   3. Führen Sie die Tensiometer-Wellenschnecke in das Loch der Schneckenführung ein und drehen Sie die Tensiometer-Wellenschnecke in einer vollständigen Umdrehung, um Schmutz zu entfernen. Wiederholen Sie den Vorgang für das zweite Loch.
      HINWEIS: Verfolgen Sie die Tiefe, die jedes Loch in der Bodenprobe macht, da sie der Höhe des Tensiometers entspricht.
   4. Entfernen Sie die Schneckenführung und stellen Sie sicher, dass die Bodenprobe nicht im Loch zusammengebrochen ist.
   5. Entfernen Sie die Siliziumlampen an jedem Tensiometer und legen Sie die Silikonscheibe auf die Sensoreinheit.
      HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass keine Luft unter der Silikonscheibe eingeschlossen ist und dass der Temperatursensor nicht abgedeckt ist.
   6. Richten Sie die Löcher im Probenkern auf die entsprechende Tensiometerhöhe an der Sensoreinheit aus.
   7. Drehen Sie den Probenkern um und platzieren Sie ihn auf der Sensoreinheit, indem Sie die Probe auf die Tensiometer aufsetzen.
   8. Entfernen Sie den Kaffeefilter und die Sättigungsplatte. Sichern Sie den Bodenkern mit Metallklammern, die sich an der Seite der Sensoreinheit befinden.
   9. Wiederholen Sie die Schritte 3.3.1 bis 3.3.8 für jedes der Beispiele.
4. Initiierung von Systemkampagnen
   1. Sobald jede Sensoreinheit eingerichtet ist, geben Sie die auf dem Metallkern vorhandene Probenidentifikation ein, da sie den Seriennummern der einzelnen Seriennummern der Sensoreinheit entspricht. Geben Sie einen eindeutigen Namen für das Feld Kampagne ein und klicken Sie dann auf Durchsuchen , um den Speicherort der Datei zu speichern.
   2. Klicken Sie auf Start.
   3. Nehmen Sie die erste Gewichtsmessung vor, nachdem zwei Tensiometermessungen abgeschlossen sind. Ziehen Sie zunächst das Verbindungskabel von der Sensoreinheit ab, warten Sie, bis ein Dialogfeld in der Software angezeigt wird, und legen Sie es auf die Waage. Entfernen Sie die Sensoreinheit, sobald die Software anzeigt, dass die Gewichtsmessung durchgeführt wurde, und stecken Sie sie wieder in das Anschlusskabel. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle Sensoreinheiten.
   4. Wiegen Sie die Proben in den ersten 2 Tagen der Messung 3x täglich, dann 2x täglich in regelmäßigen Abständen für den Rest der Kampagne

4. Beendigung der Systemkampagne

1. Beendigung der Software
   1. Führen Sie eine abschließende Gewichtsmessung für jede Sensoreinheit durch, sobald die Probe den Lufteintrittspunkt erreicht hat.
   2. Klicken Sie auf Stopp und ziehen Sie das Verbindungskabel von jeder Sensoreinheit ab.
2. Demontage der Kampagne
   1. Entfernen Sie den Probenkern von der Sensoreinheit. Geben Sie das gesamte Bodenmaterial in einen Behälter und trocknen Sie die Bodenprobe im Ofen.
      HINWEIS: Wenn Sie mit fein strukturierten Verschmutzungen arbeiten, befeuchten Sie jede Bodenprobe innerhalb einer Stunde, bevor Sie sie aus der Sensoreinheit nehmen.
   2. Entfernen Sie die Silikonscheibe und reinigen Sie die Oberseite der Sensoreinheit bei Bedarf mit einem feuchten Handtuch.
   3. Entfernen Sie jedes Tensiometer vorsichtig aus den Schlitzen. Reinigen Sie die Spitzen der Tensiometer mit einer Zahnbürste mit weichen Borsten und Wasser, wenn sie verschmutzt sind.
   4. Reinigen Sie die Oberfläche der Sensoreinheit, indem Sie die Einheit umdrehen und Wasser aus einer Sicherheitswaschflasche sprühen.
   5. Reinigen Sie den Anschluss des Tensiometerschachts, indem Sie die Sensoreinheit umdrehen und Wasser mit einer Spritze in den Anschluss spritzen.

5. Datenanalyse

1. Ermitteln Sie das trockene Bodengewicht jeder Probe und den entsprechenden Metallkern.
2. Klicken Sie auf die Datenanalysesoftware, um das Programm zu öffnen, und klicken Sie auf eine Beispieldatei, um die Daten in der Software zu öffnen. Geben Sie das Gewicht des Metallkerns im Abschnitt Parameter der Registerkarte Informationen ein.
3. Klicken Sie auf die Registerkarte Messungen | Lufteintrittspunkt suchen. Um den Kavitationspunkt fein abzustimmen, verschieben Sie die gestrichelten Linien des Start- und Stopppunkts im Tensiometer-Datenbereich. Machen Sie dasselbe für die Lufteintrittspunkte , wenn dies für die Software angegeben werden muss.
4. Klicken Sie auf die Registerkarte Bewertung und stellen Sie sicher, dass unter Berechnung des Wassergehalts die Option Aus trockenem Bodengewicht (g) ausgewählt ist. Geben Sie das Gewicht der getrockneten Erde ein.
5. Klicken Sie auf die Registerkarte Beschlag | Wenden Sie das Modell an, das am besten zu den Daten passt.
6. Klicken Sie auf die Registerkarte Exportieren , wählen Sie einen Dateipfad und stellen Sie sicher, dass die Datei im .xlxs-Format exportiert wird.
7. Die Schritte 5.1 bis 5.7 sind für jede Bodenprobe zu wiederholen.

Ergebnisse

Nach Abschluss einer ordnungsgemäßen Messkampagne gemäß dem obigen Protokoll ist es möglich, die Datenausgabe des Experiments in der Analysesoftware anzuzeigen. Die Ausgangskurven stammen aus Tensiometermessungen, die die Wasserspannung (hPa) über die Zeit (t) messen, und die Anfangskurve dieser Daten wird unmittelbar nach Beendigung der Kampagne generiert. Ausgewählte Beispiele von Zugkurven von zwei Bodenproben können untersucht werden, um optimale und suboptimale Ergebnisse zu veranschaulichen (Abbildung 2). Optimale Ergebnisse sollten eine Ausgangskurve haben, die eine klare Kavitation und einen Lufteintrittspunkt enthält, um ein SWRC am besten zu informieren. Wenn es keine klare Kavitation und keinen Lufteintrittspunkt gibt, können die Daten immer noch verwendet werden, aber das SWRC wird weniger genau und es ist mehr Nachbearbeitung innerhalb der Software erforderlich.

Die Analysesoftware enthält mehrere Modelle, mit denen der Benutzer Zugmessungen 21,22,23,24 analysieren kann. In den meisten Fällen ist das van Genutchen/Mualem-Modell eine effektive Wahl für Daten; Benutzer haben jedoch die Möglichkeit, das Modell auszuwählen, das am besten zu ihren Daten^{passt 15}. Die Software wendet dieses Modell dann auf die Zugkurve an, und die modellierten Kurven werden auf der Registerkarte Ausgabe verfügbar. Wasserretention, θ(h) und ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit K(h) oder K(θ) werden alle von der Modellierungssoftware generiert, wobei θ der volumetrische Wassergehalt, K die hydraulische Leitfähigkeit und h das Matrizenpotential¹⁴ ist. Ein repräsentatives Beispiel für die Ausgabe von SWRC- und hydraulischen Leitfähigkeitsdaten ist in Abbildung 3 zu sehen. Ausgabedaten, die an das van Genutchen/Maulem-Modell angepasst sind, sind in Abbildung 4 zu sehen.

Die resultierende Ausgabekurve bildet die Grundlage für die modellierten Ausgabekurven, die die Grundlage für viele deskriptive und hydraulische Bodendaten bilden. Hauptsächlich wird die SWRC aus den Ausgangsdaten dieser Methode generiert, aber auch andere Parameter wie Porosität, Schüttdichte, Gehalt an gesättigtem Wasser und Feldkapazität des Probenbodens können aus diesen Daten extrapoliert werden. Die Ergebnisse (Abbildung 4) können verglichen werden, um die vorhandenen Bodeneigenschaften zu verstehen und zwischen den Behandlungen zu vergleichen.

Abbildung 1: Übersicht über den Workflow. Für die Durchführung des Protokolls ist die Vorbereitung sowohl der Bodenprobe als auch des Instruments für die hydraulischen Eigenschaften erforderlich. Pfeile zeigen die Ablaufsequenz des Arbeitsablaufs an, beginnend mit der Proben- und Gerätevorbereitung bis hin zur Datenanalyse und Probennachbearbeitung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Beispiele für optimale und suboptimale Zugkurven. (A) Optimale Kurve: Es erfolgt eine regelmäßige Messung, die Kavitation ist erreicht und die Spannung in der Tensiometerwelle fällt abrupt auf den Umgebungsdruck ab. Der Lufteintritt erfolgt für beide Kurven bei ~ 700 hPa, und die Messungen werden kurz danach gestoppt. (B) Suboptimale Kurve: Es erfolgt eine regelmäßige Messung und die Kavitation ist erreicht, aber die Spannung in der Tensiometerwelle fällt nicht abrupt ab und es ist schwer zu erkennen, wo die Lufteintrittsphase begonnen hat. Diese Kurve könnte immer noch als Grundlage für eine Bodenwasserrückhaltekurve dienen, indem sie während der Datennachbearbeitung manuell angepasst wird, aber sie ist weniger genau als (A). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Ausgabekurven von Software. Bodenwasserrückhalte- und hydraulische Leitfähigkeitskurven, wie sie in der Software angezeigt werden, bevor ein Modell angewendet wurde. (A) Die Wasserrückhaltekurve des Bodens und (B,C) die hydraulischen Leitfähigkeitskurven, wie sie in der Analysesoftware angezeigt werden, sobald die Probenanalyse abgeschlossen ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Ausgabekurven mit angewendetem Modell. Abbildung 4 Die Ausgangsdaten können in der Gerätesoftware an ein Modell angepasst werden. Hier werden die modellierten Daten angezeigt; (A) Kurve zur Wasserrückhaltung im Boden und (B,C) hydraulische Leitfähigkeitskurven mit dem Modell van Genuchten-Mualem, das auf die Daten angewendet wurde. Mittlerer quadratischer Fehler (a) 0,4 %, (b) 7,09 %. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Diskussion

Der einfache Ansatz des Verdampfungsexperiments mit der hier beschriebenen Methode ist ein effizientes Mittel zur Entwicklung der SWRC- und hydraulischen Leitfähigkeitskurven. Die Einfachheit und Genauigkeit der Datenmessung machen sie zu einer praktikablen Alternative zu herkömmlichen Methoden¹⁴. Die hier beschriebene Methode geht über das Benutzerhandbuch und die aktuelle Literatur hinaus, um Feinheiten dieses komplizierten Instruments zu synthetisieren und zu erweitern. Besonderes Augenmerk muss auf die Entnahme, den Transport und die Analyse von Bodenproben gelegt werden, um qualitativ hochwertige Daten zu erhalten. Bei der Probenahme sollte der Boden innerhalb des Metallkerns ungestört bleiben. Der Metallkern sollte während des gesamten Hämmerns waagerecht bleiben, um Vibrationen oder Kippungen zu vermeiden, die den Boden stören können, und die Probe sollte während des Transports vorsichtig gehandhabt werden.

Darüber hinaus ist es notwendig, die Luftmenge, die in jeden Teil des Instrumentensystems eintritt, sorgfältig zu begrenzen. Die Genauigkeit der Ausgangsspannungskurven wird wahrscheinlich verringert, wenn unbeabsichtigt Luft eingebracht wurde. Bei der Montage und Ausführung dieser Methode gibt es viele Schritte, die über die Empfehlungen des Herstellers hinausgehen, mit dem Ziel, das Eindringen von Luft in das System zu verhindern. Zu diesen Nuancen gehören die Verwendung von entgastem Wasser, ein modifiziertes Nachfüllverfahren für Tensiometer und die kontinuierliche erneute Anwendung von Wasser bei der Sättigung der Bodenproben. Es ist wichtig sicherzustellen, dass das im Experiment verwendete Wasser ordnungsgemäß entgast wurde, die Tensiometer korrekt nachgefüllt wurden und dass die Tensiometeranschlüsse in der Sensoreinheit keine Blasen oder Lufteinschlüsse enthalten. Dies sind kritische Punkte, die im Protokoll sorgfältig beachtet werden müssen, um den Erfolg einer Kampagne zu ermöglichen.

Die Messkampagne ist nach der Kavitation abgeschlossen, wenn der Lufteintrittspunkt erreicht ist. Dies erscheint als scharfe Spitze, gefolgt von Spannungsmessungen, die für beide Tensiometer auf der Messkurve schnell auf Null abfallen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Nach dem Messzeitraum und während der Datenanalyse können Benutzeränderungen vorgenommen werden, um die Genauigkeit der Ausgabedaten zu erhöhen. In der Datenverarbeitungssoftware können beispielsweise Start-, Stopp- und Lufteintrittspunkte manuell nach Sichtprüfung und Ermessen des Benutzers angepasst werden, wenn es offensichtliche Probleme in der Spannungskurve gibt. Zu Beginn einer Messkampagne kann es zu großen Schwankungen kommen, wenn Tensiometer mit der Messung beginnen und die Wasserverdunstung noch nicht begonnen hat. Dieses Datenrauschen kann in der Nachbearbeitungsphase leicht entfernt werden, indem die Startlinie in der Softwareoberfläche weiter nach rechts verschoben wird. Wenn die Tensiometer-Messwerte für Kavitation eher ein Plateau als einen scharfen Peak aufweisen, kann es für die Software schwierig sein, automatisch zu erkennen, wo die Kavitation beginnt und endet. Diese Herausforderung kann behoben werden, indem sowohl die obere als auch die untere Linie des Stopps verschoben werden, um Punkte zu skalieren, die eine ausreichend breite Änderung der Steigung erfassen, um Kavitation anzuzeigen. Ebenso können Lufteintrittspunkte auf ähnliche Weise angepasst werden, da sie an das Ende des Plateau-Teils der Kurve verschoben werden können, um sicherzustellen, dass der richtige Teil der Datendomäne von der Software erfasst wird.

Weniger Datenpunkte in Richtung des Trockenbereichs der SWRC, die aus dem Instrument für hydraulische Eigenschaften generiert werden, können zu Ungenauigkeiten beim Anwenden von Modellen auf die Daten führen. Diese Situation kann durch die Einbeziehung anderer Datenquellen, die den trockenen Bereich der Wasserrückhaltung abdecken, noch verstärkt werden. Zusätzliche Datenpunkte können ergänzt werden, indem dieselben Bodenproben mit dem Bodenwasserpotenzialmessgerät analysiert und diese Punkte dann manuell in die Analysesoftware eingegeben werden. Die zusätzlichen Daten erhöhen die Aussagekraft von Schätzungen im Trockenbereich und sind relativ einfach zu handhaben. Die Kombination von Daten aus beiden Instrumenten kann wertvoll werden, wenn das Forschungsziel die gesamte Bandbreite der Bodenfeuchtespeicherung umfasst. Weitere Informationen über die Funktionsweise des Bodenwasserpotenzialmessgeräts, die Anwendbarkeit dieser Messungen und die Integration mit dem hydraulischen Eigenschaftsmessgerät finden Sie in der vorhandenen Literatur ^2,16,17,25.

Bodenwasserrückhalte- und hydraulische Leitfähigkeitskurven liefern eine wichtige Charakterisierung der physikalischen und ungesättigten hydraulischen Eigenschaften einer Bodenprobe. In allen Disziplinen der Umwelt-, Landwirtschafts- und Bodenwissenschaften können Landbewirtschaftungspraktiken, die die physikalischen und hydraulischen Eigenschaften des Bodens verändern, einen nachhaltigen Einfluss auf die Bodengesundheit haben ^3,17. Die Quantifizierung von Bodenmetriken und -indikatoren im Rahmen der Bodenforschung und -überwachung kann dazu beitragen, ein besseres Bewusstsein für die tatsächlichen Auswirkungen gegensätzlicher Bewirtschaftungspraktiken auf den Boden zu schaffen. Das Verständnis von Eigenschaften wie Feldkapazität, verfügbarem Wasser der Pflanze, Porengrößenverteilung und Wasserleitfähigkeit führt zu einer fundierten Schlussfolgerung über bevorzugte Bodenbewirtschaftungspraktiken für die Bodengesundheit²⁶. Der verstärkte Einsatz robuster Methoden, wie hier beschrieben, kann dazu beitragen, ein einheitliches Wissen über die überragenden Auswirkungen gegensätzlicher Bodenbewirtschaftungsoptionen in einem breiten Spektrum von Landsystemen zu vertiefen und zu harmonisieren.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
4 L Buchner Kolben (zwei)	Diverse	n/a	Behälter für die Wasserentgasung
20 mL Spritze, feine Spitze	BD	BD-302830
Kaffeefilter	Verschiedenes	n/a	Verhindert das Austreten von Erde aus dem Kern beim Einweichen
HYPROP Komplettset	Hoskin	110813/E240-M020210	Tensiometer Wellenschnecke, Schlauch für Vakuumspritze und Nachfülladapter, Schneckenführung, HYPROP USB Adapter, HYPROP Sensoreinheit, Tensiometer Wellen (50 mm und 25 mm), Sättigungsplatte, Nachfülladapter, Silikondichtung, Satz O-Ringe, LABROS Waage, Software, Kabel
HYPROP Nachfülleinheit	Hoskin	108899/ E240-M020258	Vakuumpumpe, Vakuumhalterung, Becherhalterung, Nachfülladapter
Große Kunststoffwannen Verschiedenes		n/a	Hält Wasser- und Bodenkerne während der Sättigung
METER Hämmerhalter	Hoskin	100255/E240-100201
Gummihammer	Home Depot	18CT1031	Probenentnahmewerkzeug zur Verwendung mit Hämmerhalter
Schaufel	Home Depot	83200
Bodenprobenahmering inkl. 2 Kappen	Hoskin	100254/E240-100101
Rührplatte/ Rührstab	Verschiedenes	n/a
Kelle	Home Depot	91365